关于表面纳米化对金属材料电化学腐蚀行为的影响探讨

房东升 张帅 高扬

摘 要：分析已有的研究数据及结果，并且探究表面纳米化对材料电化学腐蚀性能所产生的具体影响，能够得知表面纳米化使得材料的表面活性得到强化，进而导致活性金属材料的实际溶解速率更大，并且钝性金属材料最外面那一层就会产生钝化膜；纳米化的过程不但能够细化晶粒，通常还能够使得材料表观其他物理及力学性能发生很大的变化，鉴于此，一定要全面、科学地分析纳米材料腐蚀行为。

关键词：表面纳米化；金属材料；电化学腐蚀

材料表面纳米化之后，会使得力学性能得到极大的强化，并且使得表面化学进行的难度更小。可是，表面纳米化对材料耐腐蚀性能所形成的影响还要展开深入调查之后，才能够得出结论。鉴于此，本文针对表面纳米化对金属材料电化学腐蚀行为的影响，希望能够为相关研究提供借鉴与参考。

1表面纳米化的概述

1.1表面纳米化应用背景

表面纳米化是凭借物理、化学技术，使得材料表层晶粒能够细化到纳米量级，并且在材料上完成纳米级表层的制备，立足于纳米结构自身的特点，在保留材料基体性能的基础上，使得材料表面性能得到优化。工业领域中，金属材料是非常重要的一类材料，要是金属材料失效，那就会导致非常大的经济损失。在具体工况中，金属材料失效的形式包括三种：断裂、腐蚀、磨损，而通常都是因为材料表面存在缺陷或是问题，鉴于此，金属材料表面改性就显得非常重要了。站在这个层面上来分析，表面纳米化技术其实就是加强材料表面的组织及性能，进而使得材料整体性能得到有效增强。运用相对广泛的表面纳米化措施包括：表面涂层或沉积、表面纳米化与表面纳米化、化学处理相结合的混合措施。表面涂层或是沉积措施是在完成纳米尺度颗粒的制备之后，把其固结在材料表面，进而构成纳米结构表层。表面纳米化其实就是针对多晶材料，选择非平衡处理技术，使得材料表面自由能得到强化，进而使得粗晶组织能够渐渐细化成纳米量级。混合技术就是把表面自纳米工艺联用化学处理技术，在形成纳米结构表层的过程中，应该预先处理材料，并且材料表面构成和基体成分存在极大差异的固溶体或是化合物。

1.2表面納米化技术概念

表面纳米化技术的根本机制就是借助外加载荷，进而反复作用于材料表观，进而使得多晶体金属材料表观的自由能得到提高，进而导致表面组织能够形成各个方向的严重塑性变形，并且会慢慢地把材料表面的粗晶组织细化成纳米量尺度。这种技术的特点包括：工艺简单、成本小、实现难度小；纳米层架构非常致密，化学组成和基体一致；纳米层的梯度架构非常显著，并且剥离难度较大等。借助表面纳米化技术所得到的表面纳米层和基体并不会产生肉眼可见的界线，可以显著强化材料表层与整体的性能。

2表面纳米化对金属材料腐蚀行为的影响

在实际运用过程中，材料的腐蚀其实就是由于环境介质的影响，使得材料产生变质或是被破坏。腐蚀损害材料表层，不但会使得资源和能源会产生极大的浪费，遭受极大的经济损失，还会使得环境被污染，甚至发生安全性事故。表面纳米化技术能够使得材料表面的组织结构得到有效优化，这既优化了材料的表面性能，还能够有效改善材料整体性能。表面纳米化处理能够在金属表层构建纳米层，并且其相较于表面积来说要大一些，具备较强的表面活性，对附近的环境及条件具备较强的敏感性，能够借助快速钝化的方式，使得腐蚀进程得到阻止。鉴于此，表面纳米化方式在特定环境下能够用于金属材料的防腐处理。

2.1表面纳米化对低碳钢腐蚀行为的影响

借助高能喷丸技术完成表面纳米化材料的制备时，不但应该实现材料表层的纳米化，还应该提高材料表层的粗糙度，并且将微观应力引入，由于表层粗糙化已经经过了粗糙度的测定，因此在测定腐蚀电流密度的时候，应该排除在外，鉴于此，导致表面纳米化后材料电化学腐蚀行为影响的关键参数就是微观应力及晶粒细化。而纳米材料电化学腐蚀行为的关键性影响因素就是晶粒尺度，并且材料的腐蚀行为产生了显著的尺寸效应，也就是腐蚀速率与晶粒尺度之间的关系是负相关关系。此外，微观应力也是材料腐蚀行为的主要影响因素，这具体反映在和基体之间的距离越短，尺寸效应不存在之后，材料的腐蚀速率还是会大于基材，究其原因其实就是，这个时候，纳米化材料还是具备一定的微观应力。

在晶界区域存在的原子能量常常要大于晶内原子，并且具备相对较强的反应活性。细化完材料晶粒之后，晶界体积的百分数就会提高，因此，对腐蚀行为产生影响的活性原子也会变多，进而使得腐蚀速率增大，站在各个纳米层面材料的动电位极化曲线角度上进行分析能够得出，纳米化实现之后，材料的阳极反应历程并不会发生改变，可是交换电流的实际密度会变大；但是材料的阴极吸氢反应会在强极化区域呈现出显著的受扩散控制，这是因为材料中的微观应力相对较大。

2.2磁控溅射表面纳米化Fe-20Cr合金的腐蚀性能

就钝性金属材料的电化学腐蚀行为来说，微观结构、钝性金属元素实际含量及分布均匀性都是材料腐蚀性能的实际影响因素。腐蚀介质相同的话，要是合金的构成没有不同，结构特征及钝性元素的实际分布状况就是材料钝性的决定性因素。和凭借高能喷丸技术所得到的表面纳米化合金并没有很大的区别，晶粒细化能够使得活性原子增多，并且使得材料表面钝化膜具备更强的生成能力。另外，相较于常规的Fe-20Cr合金来说，溅射纳米涂层表层铬元素的实际分布具备显著的均匀特性，而这其实就是纳米化操作完成之后，材料钝化范围增加的关键性原因。分析钝化膜中铬元素的建议分布之后能够得出，在纳米溅射涂层表层，钝化膜中铬元素一直都是均匀分布，可是铬含量基本上追赶不上F e-20Cr合金，而这其实就是纳米溅射涂层钝化膜溶解效率低的根本原因。

3结语

总而言之，不管是分析、总结纳米材料腐蚀行为，还是开发高耐蚀纳米材料，均一定要进行全面的分析及考虑，进而全方位地认识并且掌握纳米材料腐蚀性的相关知识，进而为今后的相关研究提供借鉴及参考。

参考文献：

[1]黄晶晶. AZ91D镁合金激光冲击纳米化强化机理及其性能研究[D].江苏大学，2016.

[2]张滨. Fe-Cr合金溅射纳米晶薄膜腐蚀电化学行为的XPS及第一性原理计算的研究[D].大连理工大学，2016.

[3]何亚荣. 纳米高锰钢腐蚀行为的研究[D].燕山大学，2015.

作者简介：

第一作者：房东升（1995-），男，籍贯：山东青岛，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第二作者： 张帅（1996-），男，籍贯：湖北天门，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第三作者：高扬（1994-），，男，籍贯：河南洛阳，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。