廣東省科學院&河工大《JMST》《MSEA》：低角度晶界設計讓不銹鋼既強韌又抗腐蝕

不銹鋼因其良好的耐腐蝕性和綜合力學性能，在航空航天、海洋工程、核電及生物醫療等領域扮演著不可替代的角色。然而，其較低的屈服強度限制了在極端環境下的應用，而傳統的強化方法往往導致塑性或韌性下降，難以同時滿足高強度、優異低溫韌性和長期耐腐蝕性的苛刻要求。

近期，廣東省科學院新材料研究所與河北工業大學科研人員合作，提出了一種基于高密度小角度晶界構建微觀組織的新策略，可以同時提高不銹鋼的強度、韌性和耐腐蝕性。與傳統的大角度晶界不同，低角度晶界具有更低的界面能和更高的變形協調性：它既能有效阻礙位錯運動以提升強度，又能作為新位錯的源頭來協調變形、保證塑性。更重要的是，低角度晶界穩定的低能狀態還能保持甚至增強不銹鋼的耐腐蝕性。實現這一理想微觀結構的關鍵就是控制鋼鐵材料變形時的動態再結晶行為。研究人員在特定溫度區間對鋼材進行塑性變形，引導材料內部發生連續動態再結晶。通過像調節精密旋鈕一樣控制變形溫度和變形量，可以精確地在材料中“編織”出預定密度和比例的小角度晶界網絡。

經過微觀結構的精妙設計，材料性能實現了全面飛躍：在304奧氏體不銹鋼中，經600 °C溫軋后，小角度晶界密度達1865 mm?1（圖1），屈服強度提升至978 MPa（約為原始2.3倍），同時保持58%的高延伸率，且在-196°C仍具優異沖擊韌性（圖2）。在2205雙相不銹鋼中，600°C溫軋樣品的小角度晶界密度高達2934 mm?1，屈服強度達到1192 MPa，超過12.9級高強螺栓要求（圖3）。兩種不銹鋼的強度-塑性達到目前為止文獻報導的最高水平。小角度晶界對強度的直接貢獻遠遠超過大角度晶界，成為主要的強化機制，此效應在雙相鋼中尤為顯著。然而，當軋制溫度升高時，304和2205不銹鋼均產生了第二相，進而降低了塑性和耐腐性能。通過溫度和變形量的精準設計，引入高密度低角度晶界或許可作為提升不銹鋼綜合性能的重要手段。

相關工作以“High-density low-angle grain boundaries enable exceptional combination of strength, ductility and toughness in 304 stainless steel”和“Exceptional Combination of Toughness and Corrosion Resistance in a 1.3 GPa Duplex Stainless Steel via Low-Angle Grain Boundary Engineering”的研究性文章發表在中科院一區期刊Journal of Materials Science & Technology和Materials Science and Engineering: A。廣東省科學院新材料研究所駱智超副研究員為文章的通訊作者，第一作者是聯合培養博士生樊寬遠。通訊作者還有河北工業大學劉寶璽副教授，其他作者還包括來自企業的技術專家。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.070

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.070

圖1 304不銹鋼溫軋后的組織特征(a)600CR, (b)700CR, (c)800CR

圖2 溫軋304不銹鋼的力學性能(a)應力應變曲線，(b)600CR樣品的場應變分析，(c)強度-塑性水平對比, (d)材料的標準沖擊韌性

圖3 溫軋2205不銹鋼的力學性能(a)兩相的硬度差異，(b)應力應變曲線，(c)強度-塑性水平對比, (d)材料的標準沖擊韌性

圖4 高密度小角度晶界強韌化與抗腐蝕機理示意圖

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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