学术报告

本文是一个单一原创研究的学术论文，其中详细研究了通过热机械处理（Thermo-mechanical processing，TMP）改进AISI 304L型不锈钢的敏化和晶间腐蚀（Intergranular Corrosion，IGC）性能。以下是对本文的全面报告：

第一部分：研究作者、机构及发表情况

本文的第一作者为 Gopinath Shit，其工作单位包括印度 Indira Gandhi Centre for Atomic Research 和 Homi Bhaba National Institute；其他合作者包括 K. Mariappan 和 S. Ningshen。研究发表在《Corrosion Science》期刊第213卷上，于2023年1月10日公开上线，文章编号为110975。

第二部分：研究背景与目的

这项研究的科学领域为材料腐蚀科学，尤其侧重于不锈钢在复杂环境下的敏化及晶间腐蚀行为。AISI 304L型不锈钢是一种低碳不锈钢广泛应用于核反应堆、化学处理设备和高浓度硝酸的废液管理装置中。尽管304L型钢碳含量较低，但其在焊接或热处理过程中容易敏化，引发铬碳化物（Cr23C6）在晶界的析出。此析出作用导致铬贫化区产生，从而使得材料在晶间腐蚀（IGC）和晶间应力腐蚀开裂（IGSCC）中更加脆弱。

研究目的是通过热机械处理（TMP），基于晶界工程（Grain Boundary Engineering，GBE）技术，优化304L型不锈钢的晶界结构，从而减少铬贫化现象，最终改善材料的抗敏化性能和晶间腐蚀抵抗能力。

第三部分：研究流程与实验设计

研究流程主要包括以下几个步骤：

1. 研究对象及制备

研究以厚度为6 mm、宽10 mm的AISI 304L型不锈钢长方形棒材为基础，化学成分表见原文 Table 1。首先，样本经过1050°C、1小时的固溶退火（Solution Annealing）以均匀化材料中的奥氏体（Austenite）组织。

随后，采用两种TMP路径分别对样本进行冷轧，使厚度分别减少20%（20TM样本）和40%（40TM样本），轧制后每次均在900°C条件下退火1小时后淬水。之后所有样本再一次在1050°C退火1小时以增加不同TMP样本的接近性。

2. 敏化热处理

样本在675°C条件下进行24小时的敏化热处理，以模拟服务环境中常见的实用条件。

3. 微观结构表征

样本的微观结构通过以下技术进行表征： - 光学显微镜（Optical Microscopy）：检测晶粒大小与基本晶相。 - 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）：通过场发射SEM设备表征腐蚀后晶界形貌。 - 电子背散射衍射（Electron Backscattered Diffraction，EBSD）：评估晶界特点、晶粒取向分布及特殊晶界（低∑ CSL边界）分布。

4. 晶间腐蚀与敏化评估

• 样本敏化程度（Degree of Sensitization，DOS）通过双环电位再激活测试（DL-EPR）评估，反映了活化电流密度（Ia）与再激活电流密度（Ir）的比值。
• 晶间腐蚀性能则依据ASTM A262 Practice-C标准，在65 wt%沸腾硝酸介质中通过质量损失测量腐蚀率。

第四部分：主要实验结果

1. 微观结构与晶界特性

• 未处理样本（AS）的平均晶粒大小为55 µm，TMP后20TM与40TM样本晶粒分别增加到137 µm和80 µm。
• TMP处理显著提升了低∑ CSL边界（最大为20TM的33.52%），其中20TM样本中的∑3晶界比例达到29.5%，显著高于AS样本（11.7%）。
• EBSD分析表明，TMP引入了更多的孪晶（Twin）边界，同时显著减少了高能量随机高角晶界（Random High Angle Grain Boundaries，RHGB）。

2. 敏化程度与晶界特性

• 20TM样本的DOS值最低，仅为7.1%，显著优于AS样本（12.5%）和40TM样本（11.5%）。
• 晶粒大小与DOS呈反比关系，较大晶粒有效延缓了敏化过程。

3. 晶间腐蚀性能

• IGC测试数据显示，20TM样本的腐蚀速率最低（4.5 mpy），优于AS样本（6.6 mpy）和40TM（5.5 mpy）。
• SEM图像显示，未经TMP处理的AS样本晶间腐蚀严重，而20TM样本仅出现零散分布的小坑蚀，晶界黑色钝化膜完全覆盖。

第五部分：研究结论

这项研究表明，通过TMP的晶界工程： 1. 降低了敏化程度，优化了304L型不锈钢的晶界结构，提高了抗敏化性能。 2. 同时显著改善了材料的晶间腐蚀抗性，特别在65 wt%沸腾硝酸介质中显现出较高的抗腐蚀表现。 3. 低∑ CSL晶界（∑3孪晶边界）的比例是提高抗敏化和抗IGC能力的关键指标，而20TM样本在这方面表现最佳。

第六部分：研究亮点

1. 研究在热机械处理后明显提高了304L钢在核工业典型硝酸条件下的应用潜力。
2. 采用了基于DL-EPR与EBSD的精准表征方法，为晶界特性与腐蚀性能关系提供了新的证据。
3. 研究结果还可推广至其他低堆垛层错能量（Stacking Fault Energy, SFE）金属的晶界优化研究，为工业应用提供进一步指导。

第七部分：科学与应用价值

该研究的科学价值体现在理论上揭示了晶界优化与敏化及晶间腐蚀行为间的关系；在应用层面，该研究为热机械处理技术在304L钢及其他关键工程材料中的应用提供了理论支撑，对核反应堆与化学工业有直接的工程意义。