体积分数对聚合物合成泡沫压缩性能的影响：从制造过程到基于机器学习的建模

《Materials Today Communications》：The influence of volume fraction on the compressive behaviour of a polymeric syntactic foam: From manufacturing to machine learning-based modelling

TWIP钢具有优异的强韧性匹配，但耐腐蚀性不足，尤其在酸性、氯化物环境中。通过合金优化（如Cr、Al、Mo协同添加）、表面处理（电镀、热浸镀）及微观结构调控（细化晶粒、优化晶界），可有效提升耐腐蚀性。研究系统分析了腐蚀行为与环境及微观结构的关联，提出多策略协同防护方法。

　　双相诱导塑性（TWIP）钢因其出色的强度-延展性协同效应、优越的低温韧性以及良好的成形性能，被视为高强度钢领域的重要材料。这些优异的性能使其成为汽车、抗震结构和海洋工程等需要抗冲击和能量吸收的结构材料的理想选择。然而，TWIP钢在严苛环境下的应用受到了腐蚀性能不足的严重限制，尤其是在含氯化物和酸性环境中。因此，对TWIP钢腐蚀行为的系统分析显得尤为重要，这不仅有助于理解其在不同介质中的表现，还为提高其耐腐蚀性提供了关键的工程保护策略。

TWIP钢的腐蚀行为表现出显著的介质依赖性。在酸性介质中，其腐蚀速率较高，且会发生活性溶解。在碱性溶液中，由于形成了保护性的氢氧化物薄膜，其耐腐蚀性得到显著提升。而在含氯化物的环境中，由于MnS夹杂物的优先腐蚀，主要表现为点蚀。这些现象揭示了TWIP钢在不同介质中腐蚀机制的复杂性。微观结构在腐蚀过程中也起到了关键作用：铁素体相、碳化物和变形孪晶会加速腐蚀，而超细晶粒和Σ3协调孪晶边界则增强了晶间耐腐蚀性。通过优化合金设计，如增加铬含量（9-18%在C<1%；2-5%在C>1%）以形成稳定的钝化膜，以及协同添加铬-铝/钼元素以构建复合钝化层，可以显著提高TWIP钢的耐腐蚀性。表面工程和微观结构控制也对系统性能的提升起到了重要作用。本文首次系统地将TWIP钢的腐蚀机制与工程保护策略相结合，为后续研究提供了参考。

TWIP钢的腐蚀机制主要由其化学组成和微观结构决定。高锰含量（>20%）加速了Mn/Fe的活性溶解，阻碍了致密钝化膜的形成。在碱性介质中，TWIP钢表现出均匀腐蚀，硫氧化物夹杂物会引发点蚀。在NaCl溶液中，其腐蚀行为介于酸性和碱性条件之间，点蚀占主导地位。氧气去极化驱动阴极反应，而氯离子的渗透则破坏了钝化膜的稳定性，导致点蚀优先发生在MnS夹杂物和复杂的硫氧化物区域。此外，微观结构对腐蚀抵抗能力也有显著影响：铁素体和MnS夹杂物形成微电池，加速局部腐蚀；硼化物诱导界面腐蚀；而冷变形引入的位错、变形孪晶和变形区则促进了腐蚀的传播，加剧了腐蚀过程。

在酸性环境中，TWIP钢的腐蚀行为表现为一般腐蚀和点蚀。氢气析出反应（HER）主导了阴极去极化过程，而Mn/Fe的活性溶解则阻碍了钝化膜的形成。在碱性环境中，TWIP钢的耐腐蚀性显著提高，主要归因于Mn/Fe协同形成的氧化膜（如Mn(OH)?、Fe?O?和Al?O?）和氧气还原反应的抑制。在含氯化物的介质中，如NaCl溶液，腐蚀行为介于酸性和碱性条件之间，点蚀占主导地位。氯离子的渗透破坏了钝化膜，诱导了点蚀的优先发生。此外，高锰含量的钢在这些介质中表现出较差的耐腐蚀性，主要由于其形成的氧化膜不稳定且不致密。

为了提高TWIP钢的耐腐蚀性，研究者们探索了多种技术策略。其中，合金优化是最主要的方法之一。铬是提高耐腐蚀性的关键元素，它通过形成Cr?O?钝化膜来显著降低腐蚀电流密度（Icorr）。同时，铝和硅的协同添加可以提高氧化膜的致密性。铝的添加有助于形成致密的Al?O?层，从而提高钝化能力。然而，铝在酸性环境中的钝化能力较低，且Mn和Fe的溶解速率较高，导致TWIP钢在这些条件下仍易受腐蚀。钼和铜的添加也能通过改变钝化膜和细化晶界来防止点蚀。此外，硼（B ≤ 0.01%）和铈（Ce3?）的添加可以有效增强局部腐蚀的抵抗能力。

表面工程技术，如电镀、热浸镀和激光熔覆，也被广泛用于提高TWIP钢的耐腐蚀性。这些技术通过改变材料表面的微观结构和性能，显著增强了其耐腐蚀能力。例如，电镀Ni-P涂层在NaCl和H?SO?溶液中表现出良好的耐腐蚀性，但必须避免热处理导致的结构退化。热浸镀Al涂层通过牺牲阳极效应和形成致密的Al?O?/金属间化合物层提供长期保护。此外，通过优化热浸处理的露点（-10至-5°C），可以有效抑制Mn/Fe氧化物的形成，从而提高热浸镀锌钢的质量。

微观结构控制也是提高TWIP钢耐腐蚀性的关键策略之一。冷变形和热处理可以用来调整晶粒尺寸和晶界结构。超细晶粒TWIP钢表现出增强的晶界耐腐蚀性，并通过高晶界密度促进致密钝化膜的形成。增加Σ3孪晶边界的比例可以中断易腐蚀晶界网络（如Σ9、高角度晶界），从而抑制晶间腐蚀。同时，减少有害相（如铁素体、粗大碳化物）的含量并优化其形态（如将B2相细化为分散的颗粒）可以降低微电池腐蚀倾向。

此外，一些研究指出，TWIP钢在生物降解环境中表现出可控的降解行为。例如，在模拟体液（SBF）中，Fe-20Mn-1.2C合金的降解速率在高氯离子浓度下为0.165 mm/year，但在碳酸盐/碳酸氢盐富集的溶液中降至0.115 mm/year。这些降解行为受到环境因素（如CO?2?/HCO??浓度）和微合金添加（如硫、硼、铜）的显著影响。

总之，TWIP钢的耐腐蚀性与其化学组成、微观结构和所处环境密切相关。尽管其在酸性和含氯化物环境中表现出较差的耐腐蚀性，但在碱性介质和某些特定环境中，如含碳酸盐或磷酸盐的介质，其耐腐蚀性有所改善。通过优化合金设计、表面工程和微观结构控制，可以有效提高TWIP钢的耐腐蚀性，从而拓展其在各种工程领域的应用。未来的研究应进一步探讨TWIP钢在长期服务条件下的腐蚀-力学协同效应，以及其环境适应性的基本机制，以实现其在极端环境下的广泛应用和商业化。