桂林理工大学

详情

一种对40Cr原奥氏体晶界腐蚀的新型腐蚀剂

申报人：张文 申报日期：2025-01-05

基本情况

2025年批次
一种对40Cr原奥氏体晶界腐蚀的新型腐蚀剂 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
对于40Cr这种含铬元素的合金钢，在经过800～920℃的淬火后晶粒变的十分稳定，其腐蚀剂在研究中只能使用苦味酸来腐蚀，且浸蚀效果不易把控，且目前苦味酸获取困难，所以通过对苦味酸化学性质、腐蚀机理，以及在晶界上偏析的物质、成分和价态分析来找到一种可以代替苦味酸的新型腐蚀剂，能清晰地显示出40Cr在马氏体时试样的原始奥氏体晶界，并可以进行准确的晶粒度级别数评定。研究新腐蚀剂在提高腐蚀的准确性和可重复性，以便更准确地评估材料的微观结构和性能，降低操作难度和技术要求，使更多的人员能够轻松掌握并使用，同时减少操作过程中的安全隐患，减少对环境的污染和破坏满足这些特殊材料的需求。特对40Cr马氏体时钢原始奥氏体显示用浸蚀剂和方法展开了研究，希望摸索出简单实用且效果良好的浸蚀剂和浸蚀方。
负责人在指导教师所在的课题组对原奥氏体晶界腐蚀的新型腐蚀剂已经做了大量的研究，并且在控制腐蚀效果的研究中取得一定的研究心得。
曾在江西理工大学交换的时候参加大创，国家级
1、先进汽车用冷轧及热镀锌高强钢的开发及应用关键技术研究，桂科AA22067079-1，广西科技重大专项，40万，在研。
2、辊冷淬火在板材＆片件热处理中的应用及等温淬火新工艺研究，20210077，企业委托课题，15万，在研。
指导教师研究方向为辊冷淬火在板材＆片件热处理中的应用及等温淬火新工艺研究熟练掌握了微观结构特性和组织演变规律，在对晶界对材料性能的影响有一定的研究基础，并且知悉工艺-组织-性能之间的关系，迄今已在这方面发表多篇高水平期刊学术论文，这些为本项目工作的顺利开展奠定了实验和理论基础。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
张文 材料科学与工程学院 金属材料工程 2022 项目的统筹规划
李赛欣谌 材料科学与工程学院 金属材料工程 2022 实验样品的制备及处理
陈雨童 材料科学与工程学院 金属材料工程 2022 对于试剂使用和分析
杨宇 材料科学与工程学院 金属材料工程 2022 对腐蚀图像结果分析
韦彩芳 材料科学与工程学院 金属材料工程 2022 数据处理分析

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
亓海全 材料科学与工程学院 否

立项依据

① 40Cr是最常用的合金调质结构钢，用于制造承受中等负荷和中等速度工作条件下的机械零件，如在汽车中使用的齿轮、轴等，也可经调质并高频淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无大冲击的零件，如齿轮、主轴、曲轴等；也可经淬火、中温或低温回火，制造承受重负荷的零件；在对40Cr的性能研究中，其原奥氏体晶粒度的影响十分关键，它是晶粒尺寸的量度，也是衡量金属材料性能的一个重要参数。一般来说在常温下使用的金属材料晶粒越细，不仅强度、硬度越高，而且塑性、韧性也好。但在高温范围内晶粒细化反而会使金属材料的强度降低。钢材加热时形成奥氏体晶粒粗大的奥氏体晶粒冷却后获得粗大的转变产物其塑性、韧性比细小的奥氏体晶粒差。准确测定晶粒尺寸，在产品研发和应用方面也具有重要的实际意义。金相法测量晶粒度的前提是晶界的有效显示。
②研究过程中，为进一步提高其性能指标，需改进其生产和热处理工艺，细化晶粒。目前，针对40Cr马氏体时的原始奥氏体晶界浸蚀剂及方法资料非常有限，苦味酸溶液作为传统的晶界腐蚀剂，虽然在一定程度上能够腐蚀奥氏体晶界，但其腐蚀效果受到多种因素的影响，且苦味酸本身具有一定的毒性，这也增加了操作的风险。而对于一些特殊材料，传统的苦味酸腐蚀方法可能无法单独显示奥氏体晶界，干扰晶粒度的评定。因此，研究新腐蚀剂旨在提高腐蚀的准确性和可重复性，以便更准确地评估材料的微观结构和性能，降低操作难度和技术要求，使更多的人员能够轻松掌握并使用，同时减少操作过程中的安全隐患，减少对环境的污染和破坏满足这些特殊材料的需求。特对40Cr马氏体时钢原始奥氏体显示用浸蚀剂和方法展开了研究，希望摸索出简单实用且效果良好的浸蚀剂和浸蚀方。
[1]谷秀锐,张鹏,孙晓冉,等.18Ni马氏体时效钢原始奥氏体晶界显示方法[J]2022,40(03):27-30.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0777.20210051.
[2]孟若愚,熊立斌.一种2Cr13原奥氏体晶界显示方法[J].特种设备安全技术,2024,(01):65-66.
[3]于芸,王明杰,宋华华,等.含氮不锈轴承钢原始奥氏体晶界显示方法试验[J].轴承,2011,(09):43-44.DOI:10.19533/j.issn1000-3762.2011.09.014.
① 对于40Cr这种含铬元素的合金钢，在经过淬火后晶粒变的十分稳定，晶间腐蚀是40Cr经淬火后最常见的腐蚀形式，晶间腐蚀是一种局部腐蚀，腐蚀沿着金属或合金晶粒边界或它的临近区域发展，而晶粒腐蚀很轻微，这种腐蚀便称为晶间腐蚀，这种腐蚀使晶粒间的结合力大大削弱。严重的晶间腐蚀，可使金属失去强度和延展性，在正常载荷下碎裂。现代晶间腐蚀理论主要有贫铬理论和晶界杂质选择溶解理论。在氧化性或弱氧化性介质中之所以产生晶间腐蚀，多半是由于加工或使用时受热不当引起的。把40Cr加热至1050～1150℃后进行淬火，目的是获得均相固溶体。奥氏体钢中含有少量碳，碳在奥氏体中的固溶度是随温度下降而减小的。如0Cr18Ni9Ti,在1100℃时，碳的固溶度约为0.2%,在500～700℃时，约为0.02%。所以经固溶处理的钢，过饱和的碳以及硫磷元素容易在晶界上析出，这使得晶界上更容易发生腐蚀。
                                                                  summernote-img
②当钢无论是加热或冷却通过450～850 ℃时，碳便可形成（Fe、Cr）23C6 从奥氏体中析出而分布在晶界上。（Fe、Cr）23C6 的含铬量比奥氏体基体的含铬量高很多，它的析出自然消耗了晶界附近大量的铬，而消耗的铬不能从晶粒中通过扩散及时得到补充，因为铬的扩散速度很慢，结果晶界附近的含铬量低于钝化必须的的限量（即12 %Cr）,形成贫铬区，因而钝态受到破坏，晶界附近区域电位下降，而晶粒本身仍维持钝态，电位较高，晶粒与晶界构成活态———钝态微电偶电池，电池具有大阴极小阳极的面积比，这样就导致晶界区的腐蚀。我们还了解到奥氏体不锈钢在强氧化性介质（如浓硝酸）中也能产生晶间腐蚀，但腐蚀情况和在氧化性或弱氧化性介质中的情况不同。通常发生在经过固溶处理的钢上，经过敏化处理的钢一般不发生。而钢经敏化处理时，由于碳可以和磷生成（MP）23C6,或由于碳的首先偏析限制了磷向晶界扩散，这两种情况都会免除或减轻杂质在晶界的偏析，就消除或减弱了钢对晶间腐蚀的敏感性。通过研究40Cr自身晶粒的腐蚀原因，和苦味酸为什么会优先在晶界上的腐蚀的原因进行研究，以及研究晶界容易偏析的元素和元素的价态、化学性质、电离度等明白具体是晶界中的什么因素与苦味酸发生了反应，了解发生反应的机理以后，尝试使用机理找到其他的化合物、有机物对苦味酸进行替换，可以同样腐蚀出马氏体状态下原奥氏体晶界。在未来晶粒度腐蚀剂的选择中提供新的选择。
[1]Li X ,Ma B ,Liu B , et al.Study on the mechanism of grain size and residual stress coupling distribution on the intergranular corrosion susceptibility of AZ31B magnesium alloy.[J].RSC advances,2024,14(52):38832-38854.
[2]赵宏睿,曹金利,王瑾,等.Cr/W合金元素在α-Fe晶界上偏析热力学行为研究[J].原子能科学技术,2023,57(S1):189-198.
[3]李明高,孙梅玉,章潇慧,等.第二相和晶界析出特征对7050铝合金晶间腐蚀性能的影响[J].航空材料学报,2024,44(04):118-127.
[4]张恒坤,罗先甫,申澎洋,等.敏化处理对825合金晶间腐蚀性能的影响[J].2024,39(02):50-56.DOI:10.19515/j.cnki.1003-1545.2024.02.007.
[5]Hadipour A ,Gholami G M ,Hosseini R M .The effect of laser cleaning on metallurgical properties and intergranular corrosion behavior of 304 stainless steel[J].Materials Today Comm unications,2024,41111104-111104.
[6]Ajito S ,Tojima K ,Kakinuma H , et al.Grain boundary nanochemistry and intergranular corrosion of Fe-0.01wt.%P alloy: Roles of elemental segregations and misorientation[J].Acta Materialia,2025,283120577-120577.
[7] Yao C ,Ji Y ,Ding F , et al.Revealing the intergranular corrosion mechanism of AA5083 alloys through experiments and atomic-scale computation[J].Journal of Materials Science & Technology,2025,216285-299.
①通过实验和模拟模型研究了晶间腐蚀（IGC）的动力学，Jafarzadeh等人开发了一个用于模拟晶间腐蚀损伤的近场动力学模型，该模型基于简单的机制观点，如钝化、盐层存在和钝化膜破裂，模拟了不锈钢中的晶间腐蚀损伤，并能够自主形成蕾丝状覆盖物。模型与实验结果吻合良好，为理解腐蚀速率、坑形态/尺寸和蕾丝状覆盖物形态的决定因素提供了见解。利用微观结构分析技术（如扫描电子显微镜、透射电子显微镜等）和电化学测试方法（如极化曲线测试、电化学阻抗谱等），来揭示40Cr钢在特定环境下的晶间腐蚀机理。研究涉及到了晶界处的化学成分变化、第二相的析出行为以及腐蚀介质与金属表面的相互作用等方面。
②系统地研究化学成分（如碳、铬、镍等元素含量）、热处理工艺（如淬火温度、回火时间等）、腐蚀介质（如海水、酸性溶液等）以及应力状态等因素对40Cr钢晶间腐蚀敏感性的影响。统计分析，建立影响因素与晶间腐蚀速率之间的数学模型，为预测和防控晶间腐蚀提供理论依据。对40Cr晶间腐蚀的研究可能会更加注重跨学科融合，结合材料科学、电化学、腐蚀科学、计算机科学等领域的最新成果。
[1]. Grid., M.S.A.E., et al., Tracking the evolution of intergranular corrosion through twin-related domains in grain boundary networks. npj Materials Degradation, 2018. 2(1): p. 793-811.
[2]. Guiso, S., et al., Intergranular corrosion: Comparison between experiments and cellular automata. Corrosion Science, 2020. 177: p. 108953-.
[3]Song H ,Zhao C ,Bai H , et al.Investigation of grain boundary segregation evolution and corrosion behavior in 7050 aluminum alloy under oscillating laser melting[J].Journal of Alloys and Compounds,2025,1010177524-177524.
①以往对于新腐蚀剂的寻找只能经过大量的尝试，本实验项目从晶间腐蚀的角度入手，了解晶间腐蚀以及苦味酸腐蚀的机理，通过反应机理进行对反应速率进行控制，来解决以往出现的腐蚀过渡等效果不好的现象。替换的新腐蚀剂不仅容易得到，而且安全性也有很大的提高。
②通过40Cr在淬火后获得稳定的晶粒进行腐蚀研究，扩展出其他具有相同性质的钢的腐蚀剂的选择，如不锈钢等。也可以尝试这种反应机理是否通用于其他样品腐蚀剂的设计和替换。
（1）技术路线
对于原奥氏体晶界的腐蚀最重要的是对晶界元素的分布、排列以及价态的分析，其次还有对腐蚀剂的选择和其反应机理的研究。对于这些研究比较先进和成熟的技术有如下方面：
①显微镜技术有，光学显微镜、电子显微镜（如扫描电子显微镜SEM）、透射电子显微镜（特别是原位TEM技术）以及高分辨率显微镜等显微镜技术的不断革新与发展，使得我们能够从初步了解晶界的宏观形貌和分布特征，逐步深入到精细观察晶界的微观结构细节，实时记录晶界在特定条件下的迁移和结构转变过程，并最终揭示晶界处原子排列的精细特征和微观结构规律。可以多层次、多角度的观察手段为晶界。
②计算机模拟技术，原子分子动力学（MD）模拟：MD模拟等计算机模拟技术被广泛应用于晶界的研究中。模拟晶界的原子运动和相互作用，揭示晶界迁移和演变的基本原子机制，原子模拟技术能够模拟晶界处的原子排列和相互作用，从而预测晶界的性质和行为。例如通过原子模拟可以确认铁的偏析诱发了晶界的拓扑偏析转变，并揭示了二十面体笼结构的形成机制。
（2）拟解决的问题
①深化了对晶界腐蚀机制的理解：通过先进显微镜技术和计算机模拟技术，研究人员能够更深入地观察和分析晶界处的微观结构和原子排列，从而揭示了晶界腐蚀的复杂机制和影响因素。
②揭示了晶界结构与腐蚀性能的关系：研究发现，晶界的结构特征（如晶界类型、晶界取向差等）对材料的腐蚀性能具有重要影响。这些成果为通过调整晶界结构来改善材料的腐蚀性能提供了理论依据。
（3）预期成果
①新型腐蚀机制的发现：通过先进电子显微镜三维重构技术，如4D-STEM等，科学家们可能会发现更多新型的腐蚀机制，如“一维虫洞腐蚀”等。
②晶界结构与腐蚀行为的关系：通过高分辨率显微镜和原子模拟技术，科学家们可以更精确地揭示晶界结构与腐蚀行为之间的内在联系。特殊晶界（如低ΣCSL晶界）的耐腐蚀性可能优于普通晶界，可以为晶界工程提供新的思路。
[1]Zeng Q ,Chen Y ,Yang Z , et al.Effect of grain size and grain boundary type on intergranular stress corrosion cracking of austenitic stainless steel: A phase-field study[J].Corrosion Science,2024,241112557-112557.
[2]Yao C ,Ji Y ,Ding F , et al.Revealing the intergranular corrosion mechanism of AA5083 alloys through experiments and atomic-scale computation[J].Journal of Materials Science & Technology,2025,216285-299.
[3]Feng Z ,Wu Z ,Wang D , et al.Clarifying the role of quenching conditions on microstructure, intergranular corrosion behavior and mechanical properties of Al-Mg-Si-Cu alloy with high Cu[J].Corrosion Science,2024,237112336-112336.
[4]Qin J ,Zhao W ,Yan Z , et al.Intergranular corrosion and stress corrosion cracking properties evaluation and mechanism study of multi-microalloyed 2519 Al alloy[J].Corrosion Science,2024,236112288-112288.
2025.1～2025.2：收集资料，进行文献调研和前期分析，完善实验方案，准备实验器材和试剂；
2025.3～2025.8：制备40Cr在800～920℃下淬火，以及退火的样品。对金相的初步磨抛腐蚀，和对样品组织的分析
2025.9～2025.12：通过金相显微镜、扫描电子显微镜对晶界的成分偏析物，以及偏析物质的价态化学性质进行分析，找出于苦味酸反应的参与物质。替换新的腐蚀剂并且研究腐蚀效果，以及对腐蚀速率的控制。
2026.1～2026.5：整理数据，总结实验规律，分析机理，形成总结报告，撰写并发表学术论文。
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
通过大量的研究，目前主要是在氯化铁对晶界腐蚀的机理以及苦味酸腐蚀的机理研究上，而且经过大量的实验和研究，目前对于腐蚀效果的优化以及苦味酸腐蚀的特性有了大量的经验。比如对腐蚀效果的优化，只是苦味酸的腐蚀往往效果不好，而经过先腐蚀出马氏体组织后再进行原奥氏体腐蚀，效果有很好的提高。并且对不同钢样在相同条件下进行同样的处理，同样也有很明显的差别，这说明钢的成分对于腐蚀有较大的影响，针对这一现象进行了初步的分析，对于晶界偏析的成分对腐蚀有较大的影响。

summernote-img             summernote-img
左图为常规腐蚀剂腐蚀金相，   右图为改进后腐蚀剂腐蚀金相

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
申请人所在课题组具有本项目微观组织结构分析所需的金相显微镜、X 射线衍射仪、扫描电镜，合金熔炼所需的熔炼炉，热处理所需的马弗炉，已经完成钢样的获取以及预处理，有不同种类和不同热处理条件下的样品，并且已经做过了大量的实验有较为完整的实验数据。有许多腐蚀常用的无机试剂，为后期找到新腐蚀剂来替换苦味酸提供较为有力的支持。实验室也具备各种金相处理、观察和记录的仪器。对于晶界的研究需要较为先进的实验设备，如TEM,EPMA等对钢样进行精准的测定，来分析晶界处的元素，以及含量、价态，对处于晶界的元素进行更为准缺的了解。在研究中需要大量的有机酸和不同种类的无机盐，在腐蚀剂的配制中也需要与苦味酸有相同化学性质和相同电离度的试剂，在后期的实验中需要大量的试剂作为尝试的基础。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 3000.00 实验器材和原料 1300.00 1700.00
1. 业务费 1500.00 实验测试和结果分析 500.00 1000.00
（1）计算、分析、测试费 500.00 材料晶界元素分析检测 250.00 250.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 500.00 文献信息搜索 250.00 250.00
（5）论文出版费 500.00 论文出版支出 0.00 500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 1500.00 购买原材料试剂 800.00 700.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

版权所有： 南京先极科技有限公司