Presentazione del nano
npj Materiali Degradazione volume 6, Numero articolo: 54 (2022) Citare questo articolo
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Gli acciai inossidabili ampiamente utilizzati e le loro varianti deformate sono anticorrosivi in condizioni ambientali grazie agli strati di passivazione composti da ossidi di cromo. Convenzionalmente la corrosione e l'erosione degli acciai vengono attribuite alla rottura di tali strati ma raramente all'origine che dipende dall'eterogeneità superficiale a livello microscopico. In questo lavoro, l’eterogeneità chimica su scala nanometrica della superficie, svelata tramite spettromicroscopia e analisi chemiometriche, domina inaspettatamente il comportamento alla rottura e alla corrosione degli acciai inossidabili super-duplex 2507 modificati Ce laminati a freddo rispetto ai suoi acciai inossidabili deformati a caldo. controparte. Sebbene coperto in modo relativamente uniforme da uno strato nativo di Cr2O3 rivelato dalla microscopia elettronica a fotoemissione di raggi X, l'SDSS laminato a freddo si è comportato male in passività a causa delle nano-isole ricche di Fe3+ distribuite localmente sullo strato di ossido di Fe/Cr. Questa conoscenza a livello atomico fornisce una comprensione approfondita della corrosione dell’acciaio inossidabile e si prevede che favorirà il controllo della corrosione di metalli altolegati simili.
Sin dall'invenzione dell'acciaio inossidabile, le proprietà anticorrosive della lega cromo-ferro sono state attribuite al cromo che forma un forte ossido/ossiidrossido che rende il comportamento passivo nella maggior parte degli ambienti. Gli acciai inossidabili super duplex (SDSS) con migliore resistenza alla corrosione sono dotati di proprietà meccaniche superiori rispetto agli acciai inossidabili convenzionali (austenitici e ferritici)1,2,3. La maggiore resistenza meccanica consente design più leggeri e compatti. Al contrario, l’elevata resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale degli economici SDSS garantisce una durata di vita più lunga, estendendone le applicazioni al controllo dell’inquinamento, alle navi chimiche e alle industrie offshore di petrolio e gas4. Tuttavia, il ristretto intervallo di temperature di lavorazione a caldo e le scarse proprietà di formatura ne ostacolano le applicazioni pratiche su larga scala5. Pertanto, la SDSS viene modificata per potenziare le suddette prestazioni. Ad esempio, la modifica Ce è stata introdotta nel SDSS 2507 (Ce-2507) insieme a un'aggiunta elevata di N6,7,8. L'elemento delle terre rare (Ce) ad una concentrazione adeguata dello 0,08% in peso è vantaggioso per le proprietà meccaniche del DSS a causa del miglioramento dell'affinamento del grano e della resistenza ai bordi del grano. Sono state migliorate anche la resistenza all'usura e alla corrosione, la resistenza alla trazione e allo snervamento e la lavorabilità a caldo9. Una maggiore quantità di N può sostituire il costoso contenuto di Ni, rendendo l’SDSS più conveniente10.
Recentemente, l'SDSS è stato deformato plasticamente a diverse temperature (criogenico, freddo e caldo) per raggiungere prestazioni meccaniche superiori6,7,8. Tuttavia, la superiore resistenza alla corrosione dell'SDSS, derivante dalla presenza di un sottile film di ossido sulla superficie, è soggetta a molti fattori, ad esempio microstrutture eterogenee intrinseche derivanti dalla presenza di fasi multiple con bordi di grano diversi, precipitati indesiderati e risposte diverse di varie fasi di austenite e ferrite alle deformazioni7. Pertanto, le indagini sulle proprietà microregionali di tali film sottili fino ai livelli della struttura elettronica diventano cruciali per comprendere la corrosione dell'SDSS e richiedono sofisticate tecniche sperimentali. Finora, i metodi sensibili alla superficie come la spettroscopia elettronica Auger11 e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X12,13,14,15 e la microscopia a emissione fotoelettronica a raggi X duri (HAX-PEEM)16, pur fornendo distinzioni chimiche degli strati superficiali, in genere falliscono per separare lo stato chimico dello stesso elemento in posizioni spazialmente diverse su scala nanometrica. Pochi studi recenti hanno correlato l'ossidazione locale del cromo ai comportamenti di corrosione osservati sull'acciaio inossidabile austenitico17, sull'acciaio martensitico18 e sull'SDSS19,20. Tuttavia, questi studi si sono concentrati principalmente sull’eterogeneità del Cr (ad esempio, stato di ossidazione del Cr3+) sulla resistenza alla corrosione. L'eterogeneità laterale nello stato di ossidazione dell'elemento può derivare da composti diversi con elementi di composizione identica, ad esempio, ossidi di ferro. Questi composti ereditano dimensioni raffinate sottoposte a trattamenti termomeccanici, strettamente adiacenti tra loro ma variabili in composizioni e stati di ossidazione16,21. Pertanto, per svelare la rottura della pellicola di ossido e quindi la corrosione per vaiolatura è necessario conoscere l’eterogeneità superficiale a livello microscopico. Nonostante le richieste, manca ancora una valutazione quantitativa, ad esempio sull’eterogeneità laterale nell’ossidazione, soprattutto del Fe su scala nano/atomica, e la sua correlazione con la resistenza alla corrosione rimane inesplorata. Solo di recente, lo stato chimico di vari elementi, come Fe e Ca, è stato descritto quantitativamente su campioni di acciaio mediante microscopia elettronica a fotoemissione di raggi X morbidi (X-PEEM) presso impianti di radiazione di sincrotrone su scala nanometrica22. In combinazione con il metodo chimicamente sensibile della spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS), X-PEEM, che prevede la misurazione di XAS con elevata risoluzione spaziale e spettrale, fornisce informazioni chimiche riguardanti la composizione elementare e il suo stato chimico con una risoluzione spaziale fino al nanometro scala23. Una tale visione spettromicroscopica dei siti di iniziazione avvantaggia la prova chimica locale e può evidenziare variazioni chimiche spazialmente negli strati di Fe che non sono state esplorate prima.