铜合金化对Fe-Mn-Al-C低密度钢微观结构与腐蚀行为的调控机制研究

为解决Cu合金化对低密度钢(LDS)腐蚀性能影响机制不明的问题，研究人员系统研究了Fe-30Mn-8Al-1C-xCu（x=0,1,3 wt%）钢的微观组织演变与腐蚀行为。通过电化学测试、浸泡实验和SKPFM分析发现，适量Cu可细化碳化物但过量Cu会引发晶界Cu富集，与碳化物协同加速局部腐蚀。该研究为Cu合金化LDS在汽车、化工等领域的腐蚀防护提供了理论指导。

　　

在追求轻量化的工业浪潮中，Fe-Mn-Al-C低密度钢(LDS)因其出色的强度-塑性平衡和15-20%的减重潜力，成为汽车、航空等领域的新宠。然而，当工程师们尝试通过添加铜(Cu)来进一步提升其力学性能时，一个意想不到的难题出现了——这些"强化版"钢材在海洋环境或化工厂中，反而更容易被腐蚀穿孔。这就像给跑车装上更强引擎却发现油箱漏油，究竟Cu在LDS中扮演着怎样的双面角色？

辽宁石油化工大学机械工程学院的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，揭开了这个谜团。他们采用真空熔炼结合多道次热轧制备了三种不同Cu含量（0、1、3 wt%）的Fe-30Mn-8Al-1C钢，通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)解析微观结构，结合动电位极化、电化学阻抗谱(EIS)等电化学测试，并创新性地采用扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)测量微区电位差，最后通过X射线光电子能谱(XPS)解析腐蚀产物成分。

【微观结构演变】

TEM观察显示所有样品基体均为面心立方(FCC)奥氏体，但Cu添加显著改变组织特征：

• 晶粒尺寸：ASTM晶粒度等级从0Cu的10.2降至1Cu的9.5，表明Cu促进奥氏体形核生长

• 碳化物分布：1Cu钢因Cu的细化作用使碳化物数量增加60%（2377个），而3Cu钢因阻碍C扩散导致碳化物锐减至876个

• 元素分布：EPMA显示3Cu钢中Cu以单质形式富集晶界，与SEM观察到的白色颗粒分布吻合

【腐蚀行为解码】

电化学测试揭示Cu如何"暗中作梗"：

• 极化曲线：0Cu具有最宽钝化区间（ΔE=90 mV），而3Cu钝化区缩窄至61 mV，且点蚀电位最低（-245 mV vs SCE）

• EIS分析：0Cu电荷转移电阻(R_ct)高达5796 Ω·cm²，是3Cu（2062 Ω·cm²）的2.8倍

• 莫特-肖特基测试：3Cu钢钝化膜施主密度(N_D)达1.45×10¹⁸ cm^-3，表明更易被Cl^-侵蚀

【腐蚀机制可视化】

SKPFM首次捕捉到关键电位差：

• 碳化物/基体界面存在0.9 mV电位差，使奥氏体成为阳极优先溶解

• 3Cu钢晶界处Cu富集区与基体电位差达1.2 mV，形成"Cu-碳化物"协同腐蚀微电池

【腐蚀产物溯源】

XPS深度分析显示：

• 腐蚀5天后，3Cu钢表面Mn氧化物占比高达77%（0Cu仅47%），Mn²⁺/Mn³⁺加速电子转移

• 钝化膜中Al₂O₃含量从0Cu的38.2%降至3Cu的21.4%，保护性减弱

这项研究不仅揭示了Cu在LDS中的"双刃剑"效应——1% Cu通过细化碳化物优化性能，而3% Cu则因晶界富集引发协同腐蚀，更重要的是建立了"成分-微观缺陷-电化学响应"的关联模型。该成果为海洋工程、化工设备等苛刻环境下LDS的成分设计提供了量化标准：当需要添加Cu强化时，应严格控制含量≤1 wt%，并在热处理中避免Cu的晶界偏聚。研究团队创新的SKPFM微区电位表征方法，也为其他合金体系的局部腐蚀研究提供了新思路。