高强钢表面梯度强化层微区腐蚀机理研究

Improve the fatigue performance of the key components by using the ultrasonic rolling pressure to form the gradient layer with high residual compressive stress on the surface of high strength steel is a key technique. The severe deformation and grain refinement of surface structure cause fundamental changes in electrochemical properties, forming different local corrosion damage compared with base, which greatly affect the fatigue life of the structural components. Ultrasonic rolling technology is adopted in this project for strengthening the 20CrMnTi. On the basis of “layer-by-layer” analysis method, electrochemical noise, micro scanning electrochemical probe, electrolytic polishing technology, laser confocal microscopy and atomic force microscopy in liquid phase will be applied. The rules of metastable pitting initiation on surface, electrochemical characteristics on each layers and the effect of structure gradient on local corrosion damage will be studied, in order to elaborate the key elements on corrosion behavior shift and the formation mechanism of corrosion damage in gradient structure.

采用超声滚压强化，在高强钢表层形成具有高残余压应力的梯度强化层，是提高关键构件抗疲劳性能的关键技术。表层组织在强化作用下会产生剧烈形变与晶粒细化，引起电化学性质发生根本改变，形成不同于基体组织的局部腐蚀损伤，极大的影响构件疲劳寿命。本课题将采用超声滚压技术，在20CrMnTi钢表面形成梯度强化层，以提出的“逐层剖析”法为基础，运用电化学噪声、微区扫描电化学探针、电解抛光剥层制样技术、激光共聚焦显微镜和液相原位原子力显微镜等多种方法。通过强化层表面亚稳态点蚀萌生规律、梯度组织逐层微区电化学特性以及组织梯度对强化层内部腐蚀形态影响三个层面的研究，探明梯度强化层中微区腐蚀行为的特异转变规律及其形成要素，阐明组织梯度导致恶性腐蚀损伤的关联规律及其微观机制作为关键科学问题。

项目采用超声滚压强化，在20CrMnTi高强钢表层形成具有高残余压应力的梯度强化层，以提出的“逐层剖析”为准则，运用电化学噪声、微区扫描探针、电解抛光剥层制样技术、激光共聚焦显微镜和原子力显微镜等多种方法。通过强化层表面亚稳态点蚀萌生规律、梯度组织逐层微区电化学特性以及组织梯度对强化层内部腐蚀形态影响三个层面的研究，探明了梯度强化层中微区腐蚀行为的特异转变规律及其形成要素，阐明了组织梯度导致恶性腐蚀损伤的关联规律及其微观机制。由于超声滚压强化层是一个多维梯度共存的渐变层，既存在位错密度梯度、晶粒度梯度，也存在残余应力梯度、电化学梯度。项目厘清了多维梯度分别对强化层耐蚀性能的影响及其权重，对高强钢梯度强化层设计，提供了重要的理论参考与指导意义。项目研究表明，超声滚压表层虽具有良好的光洁度与粗糙度，但受晶粒剧烈形变的影响，梯度强化表层由于高位错密度而具有更高的腐蚀倾向性，反而不利于耐蚀性能的提高。局部腐蚀会集中在滚压层晶界区域迅速萌生，造成沿晶腐蚀、剥蚀等不利影响。但并非所有金属经超声滚压处理后都会造成耐蚀性能下降，将其拓展应用至6061铝合金，904L不锈钢的表面处理中时，反而会因第二相的细化以及晶界贫铬现象的消失而出现耐蚀性能的大幅提升。在项目开展过程中，发现了基于原子力显微镜(AFM)平台的扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)可用于测量梯度层截面的Volta电势分布，并通过TEM、EBSD等手段证明位错密度梯度与Volta电势之间的半定量关系。据此开创出一套半定量方法用于测量位错密度梯度并申请了相关发明专利，是本项目在完成过程中所取得的重要创新之一。