中科院金属所&南洋理工大学：新型含Cu超高强度钢实现拉伸性能、抗菌及耐腐蚀性能同步提升

2025-04-18 16:18:25 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

随着各行业在具有挑战性的环境条件下越来越重视可持续性和材料性能，全球对先进材料的需求激增。超高强度钢（UHSSs）因其卓越的机械性能而备受关注，这些性能使其在能源、航空航天、交通运输和生物医学应用等领域中不可或缺。然而，现代基础设施和制造业对先进合金的需求不仅仅局限于其机械强度，随着对材料的使用寿命和结构完整性的关注度日益提高，尤其是在恶劣环境中，迫切需要超高强度钢不仅在力学性能方面表现出色，而且还要具备强大的耐腐蚀性。

成果速览

本研究中，中科院金属所联合新加坡南洋理工大学介绍了一种新型抗菌Fe-Ni-Co-Cr-Ti-Mo超高强度钢，通过添加铜元素进行合金化增强，其强度达到了约1.8GPa，并在原子尺度上全面研究了铜对该钢拉伸性能、抗菌功效以及耐腐蚀性的影响。

研究结果表明，添加铜促进了富Cu和Ni₃Ti纳米析出相的共析出，这不仅提高了钢的强度，还为奥氏体的逆转变提供了异质形核位点，从而改善了均匀延伸率。此外，高密度的富铜析出相破坏了钢表面的钝化膜，促使Cu²⁺离子释放，这些离子能够渗透并破坏细菌群落，显示出在减少与硫酸盐还原菌（SRB）相关的腐蚀方面的有效性。

另外，铜的存在通过抑制富（Cr,Mo）簇的形成增强了耐腐蚀性，这有助于形成更连续且附着力强的钝化膜，从而减轻由硫酸盐还原菌引起的局部点蚀。以上研究结果凸显了富铜纳米析出相在提高拉伸性能、抗菌功效和耐腐蚀性方面的三重作用，为在易滋生硫酸盐还原菌的工业环境中延长钢材的使用寿命提供了一种颇具前景的策略。

该文章以「Cu-rich nano precipitates simultaneously enhance the tensile properties, antibacterial efficacy, and corrosion resistance of ultra-high strength steel」为题发表于Acta Materialia。

数据概况

图1. 钢材的电子背散射衍射（EBSD）微观结构：a 不含铜的钢材，反极图（IPF）；b 含铜的钢材，反极图（IPF）；c 不含铜的钢材，相图；以及d 含铜的钢材，相图

图2. a 不含铜的合金和 b 含铜的合金的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像及能谱仪（EDS）图谱。c-d 为η-Ni₃Ti析出相的高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像及相应的快速傅里叶变换（FFT）图案，e-f 为9R-Cu析出相的高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像及相应的快速傅里叶变换（FFT）图案

图3. 钢的工程拉伸应力-应变曲线

图4. a 不含铜的钢材和 b 含铜的钢材中Ni₃Ti和富铜析出相的原子探针层析成像（APT）图谱和等值面，c Ni₃Ti和富铜共析出相的放大图，以及d 沿c中圆柱体的一维浓度分布图

图5. 在含有硫酸盐还原菌（SRB）的溶液中培养14天后，a 不含铜钢材和b 含铜钢材表面形成膜的扫描电子显微镜（SEM）图像

图6. 不含铜钢材和含铜钢材浸入含有硫酸盐还原菌的溶液中，不同时长后的电化学测试结果：a 开路电位（OCP）随浸泡时间的变化情况；b 通过电化学阻抗谱（EIS）拟合得到的电荷转移电阻（Rct）的变化情况；c 根据电化学阻抗谱（EIS）拟合参数计算得出的钝化膜厚度；d 腐蚀浸泡14天后的恒电位极化（CPP）曲线

结论展望

本研究中，通过铜合金化开发出了一种新型的Fe-Ni-Co-Cr-Ti-Mo超高强度钢，该钢具有优异的拉伸性能、抗菌功效和耐腐蚀性。以下是本研究的关键发现和结论：

（1）原子探针层析成像（APT）结果表明，含Cu钢材中富铜析出相的形成，为Ni₃Ti的析出提供了大量的异质形核位点，从而产生了高密度的富铜和Ni₃Ti共析出相。这种共析出不仅加速了逆转变奥氏体的形成，通过相变诱导塑性（TRIP）效应提高了延展性，还弥补了通常由相对较软的奥氏体相体积分数增加所导致的强度降低。因此，富铜相、Ni₃Ti相和奥氏体相的共析出实现了高屈服强度和改善后的延展性的最佳结合。

（2）扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）和活死染色结果表明，富铜析出相通过抑制硫酸盐还原菌的活性表现出显著的抗菌效果。高密度的富铜析出相破坏了钢材表面的钝化膜，促使Cu²⁺离子释放，这些离子能够渗透并破坏细菌群落。相比之下，当铜仅以固溶体形式存在而没有Cu²⁺离子释放时，抗菌活性是有限的。

（3）电化学和表面分析结果显示，铜的存在通过抑制富（Cr,Mo）簇的形成增强了耐腐蚀性，这有助于形成更连续且附着力强的钝化膜。这种改善后的膜稳定性和降低的膜破裂敏感性，使得钢材对全面腐蚀和局部腐蚀都具有更好的抗性。值得注意的是，含有硫酸盐还原菌的培养基中14天的含铜钢材，其腐蚀速率比不含铜的钢材降低14倍以上。