在盐酸溶液中纳米晶304不锈钢表面形成稳定氧化膜机理

利用深度轧制技术制备出纳米晶304不锈钢板材，此制备技术具有产业化前景。与普通304不锈钢相比，在0.5M盐酸溶液中浸泡30天，纳米晶304不锈钢腐蚀速度小于普通304不锈钢，并且腐蚀表面能够形成稳定的氧化膜，几乎无点蚀发生。本课题主要研究在盐酸溶液中纳米晶和普通304不锈钢表面氧化膜动态形成过程及其结构和形貌、氧 （水和氧气）和氯离子表面吸附与材料微观结构（晶粒尺寸、马氏体含量和残余应力分布等）和表面电子结构（价带谱和功函数等）之间关系。研究内容：两种材料微观结构、表面电子结构和盐酸浓度与电化学反应过程之间关系；两种材料表面氧化膜动态形成过程、结构和形貌，氯离子和氧表面吸附过程等。本课题科学意义在于理解纳米晶304不锈钢板材在盐酸溶液中形成稳定氧化膜机理。建立盐酸浓度、材料微观结构和表面电子结构与氧化膜形成过程之间关系，为纳米晶304不锈钢板材在相关领域应用提供理论依据和实验基础。

本课题组利用深度轧制技术制备出纳米晶304不锈钢 （BN-SS304）板材，此制备技术具有产业化前景。与普通304不锈钢(CP-SS304) 相比，0.5M盐酸溶液中浸泡30天，BN-SS304腐蚀速度小于CP-SS304，并且腐蚀表面能够形成稳定的氧化膜，几乎无点蚀发生。在4-6M 盐酸溶液中浸泡5天和1-3M中浸泡30天，BN-SS304同样难以发生局部腐蚀，腐蚀速度低于CP-SS304。同时，BN-SS304在浸泡实验过程中能够形成致密的氧化膜，而CP-SS304发生了严重的局部腐蚀。BN-SS304表面吸附Cl-的浓度和化学活性都低于CP-SS304，这是导致BN-SS304耐局部腐蚀的主要因素。然而，Cl- 为何在BN-SS30表面吸附后，会引起Cl- 的化学活性降低和吸附性能减弱是一个没有解决的科学问题，申请人认为这个问题是本课题组今后的重点工作方向之一。申请人没有根据传统的材料科学、腐蚀科学和电化学角度理解BN-SS304的腐蚀性能及其机理，而是从金属材料的价电子组态和氧化膜的电子结构角度理解BN-SS304的腐蚀性能及其机理。BN-SS304参与腐蚀反应的价电子的结合能及其权重分别高于和低于CP-SS304，这是导致BN-SS304耐均匀腐蚀的主要因素。.与CP-SS304相比，BN-SS304力学性能（拉伸和疲劳）性能提高，主要表现为屈服和抗拉强度提高，延伸率大于20%, 弹性应变增加，疲劳强度和疲劳寿命提高。BN-SS304抗高温氧化性能（900 0C, 空气, 24小时）和抗热腐蚀性能(Na2SO4+ K2SO4 +NaCl，600 0C 44小时) 提高。BN-SS304高温氧化和热腐蚀过程中，能形成致密氧化膜，其高温氧化机理不同目前现有的理论或者观点。申请人从BN-SS304和CP-SS304价电子结构和氧化膜电子结构角度理解这些实验结果，提出了金属材料腐蚀本征参量概念，得到国际同行的认可。这些认可主要表现在：6篇SCI收录论文和3篇中文邀请论文、申请人第19届世界表面精饰大会暨展览会（Interfinish 2016）学术委员、在中国腐蚀与防护网有申请人的“精彩访谈”内容，该访谈介绍了本课题组在纳米晶金属板材产业化技术工艺和纳米晶金属材料腐蚀、力学等方面的工作进展和取得的一些成果。