近日，河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與廣東省科學(xué)院新材料研究所通力合作，在金屬腐蝕類頂級(jí)期刊《Corrosion Science》上發(fā)表了不同真空度下熱軋不銹鋼復(fù)合板的組織和性能研究的文章，論文第一作者為林曾孟博士研究生，通訊作者為殷福星教授和劉寶璽副研究員。本研究從不銹鋼復(fù)合板宏觀組織性能的調(diào)控入手?jǐn)U展到層間界面微觀形成機(jī)理的探究。研究結(jié)果表明：不銹鋼真空熱軋復(fù)合過(guò)程中界面氧化物的產(chǎn)生和演變與冶煉鋼鐵過(guò)程中選擇性氧化機(jī)制極其相似，準(zhǔn)原位表征各類界面氧化物的形成、消溶和轉(zhuǎn)變過(guò)程，為異質(zhì)熱軋復(fù)合界面形成的冶金物理過(guò)程及機(jī)理增添了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自2015年以來(lái)，系統(tǒng)地對(duì)不銹鋼復(fù)合板熱軋過(guò)程中的各類參數(shù)，如熱軋溫度、熱軋壓下量、中間層的加入、熱處理制度和真空度進(jìn)行了系統(tǒng)性的調(diào)控和優(yōu)化，表征尺度也亦從宏觀過(guò)渡至細(xì)觀和微觀。系列研究結(jié)果表明：層間界面復(fù)合過(guò)程與界面氧化物的形成、破碎、消溶有著密切的聯(lián)系，而界面氧化物的奧妙如同塵封多年的記憶，各種微量合金元素將悉數(shù)登場(chǎng)！在密封加熱和保溫過(guò)程中，率先氧化的并不是鋼鐵中的主體元素(Fe、Cr、Ni)，而是原始冶金過(guò)程中加入的各類微量脫氧劑，如Ca、Mg、Al、Mn、Si等，各種復(fù)雜界面氧化物形成的熱力學(xué)原理主要是由冶金物理化學(xué)中的氧勢(shì)圖(Ellingham圖)所決定。并且，在后續(xù)熱軋和冷卻過(guò)程中，根據(jù)氧分壓的逐漸降低，以及各元素與氧親和力的差異，它們又會(huì)分解，進(jìn)而聚合，通過(guò)內(nèi)氧化模式形成各類特殊的界面氧化物。

在低真空度下，316L／Q235熱軋不銹鋼復(fù)合板界面氧化物會(huì)團(tuán)聚在界面處，形成類似于湯姆遜原子模型式的瘤狀物（主要包含有Cr₂O₃、MnCr₂O₄和SiO₂），如圖1所示。而隨著真空度增加至10 Pa時(shí)，界面氧化物以核-殼式的顆粒結(jié)構(gòu)存在于界面。并且界面處同時(shí)存在兩種形式的氧化物，即MnO包裹SiO₂和SiO₂包裹MnCr₂O₄兩類核-殼結(jié)構(gòu)。這主要?dú)w因于界面處氧化物的分解與合金元素的選擇性氧化，如圖2所示。當(dāng)真空度達(dá)到10^-2 Pa時(shí)，界面氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)的棒狀Mn₂SiO₄，如圖3所示。隨著真空度增加，復(fù)合界面的拉伸剪切強(qiáng)度不斷提升（如圖4所示），并且剪切斷裂位置從界面轉(zhuǎn)移到脫碳層。這可能歸因于三個(gè)原因：（1）在高真空度下，沿?zé)彳埜矊咏缑娴难趸锩芏认喈?dāng)?shù)停缑嫜趸锏奶卣鲝乃缮⒌慕Y(jié)節(jié)狀復(fù)合物變?yōu)橹旅艿念w粒；（2）界面納米級(jí)非晶氧化物的尺寸相當(dāng)精細(xì)，故此時(shí)Orowan機(jī)制在強(qiáng)化并增韌復(fù)合板界面方面發(fā)揮重要作用；（3）長(zhǎng)棒狀納米級(jí)Mn₂SiO₄氧化物也可以作為具有高長(zhǎng)徑比的晶須，根據(jù)剪切滯后模型，其可能斷裂成多個(gè)部分，從而提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)起到了增韌的作用。

真空熱軋界面氧化物的種類、組成、成分、分布和尺寸變化范圍很大，這對(duì)微觀尺寸的表征帶來(lái)了異常的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，這項(xiàng)研究成果揭開的僅是界面氧化物復(fù)雜演變規(guī)律的“冰山一角”。相關(guān)的深入研究有待繼續(xù)進(jìn)行，這將為不銹鋼復(fù)合板層間界面的調(diào)控和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供較好的素材。目前，多層構(gòu)筑、層狀復(fù)合工藝已在大型核電制造領(lǐng)域成為關(guān)鍵技術(shù)，其界面復(fù)合機(jī)理與不銹鋼復(fù)合板熱軋復(fù)合機(jī)理殊途同歸，均聚焦于界面氧化物演化規(guī)律以及對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響。因此，層間界面的不斷深入探究定將助力于大國(guó)重器建設(shè)的理論和技術(shù)創(chuàng)新。