近期，南京理工大学纳米异构材料中心陈翔教授团队在金属材料磨蚀机制方面取得进展，发现了高纯镁材料磨蚀动力学的晶粒尺寸效应，即晶粒尺寸减小，磨蚀开路电位稳定不变，耐磨蚀性能提升。相关结果以题为“Grain size effect on tribocorrosion kinetics in ultrahigh-purity magnesium”发表在金属材料领域高水平期刊《Journal of Materials Science & Technology》，我校纳米异构中心2022级博士生向跃为论文第一作者，陈翔教授和张亚平讲师为论文共同通讯作者。

1.      前言/背景

全球约四分之一的能源用于克服摩擦和磨损，而腐蚀导致的经济损失约占全球GDP的2-4%。金属材料在腐蚀环境下承受摩擦加载，易发生磨损与腐蚀的协同作用，即腐蚀磨损，简称磨蚀。在磨蚀过程中，金属材料表面钝化膜去除，暴露出新的活性腐蚀位点，从而加速腐蚀，具体表现在磨蚀开路电位呈骤降或下降趋势。对于镁和镁合金等活泼金属材料，尽管晶粒细化有助于提高其强度，但其对镁及镁合金腐蚀及磨蚀动力学行为的影响和作用机制尚无定论。

2.      全文简述

纳米异构材料中心研究人员制备了两种不同晶粒尺寸(粗晶与细晶)的超纯镁样品(图1)，并对比了两种超纯镁样品的磨蚀行为。粗晶样品的开路电位（OCP）逐渐降低，而细晶样品的开路电位并未下降，保持平稳，耐磨蚀性能显著提升。粗晶样品的全周期磨蚀层均较薄，而细晶镁的磨蚀层与时间呈准线性关系(图4)，磨蚀层连续增厚。透射电镜表征结果显示，在磨蚀早期阶段，氧沿晶界的高扩散通道有助于在细晶镁表面形成连续的、具有氧含量梯度的保护性磨蚀层(图5)，从而增强其耐磨蚀性能。

图1. (a)粗晶和(b)细晶样品横截面边缘的EBSD取向图，以及相应的(c)晶粒尺寸分布图。

图2. (a)摩擦腐蚀实验中使用的实验装置示意图。(b)粗晶与细晶样品在摩擦腐蚀实验中的OCP演变。(c)两种样品在1 N载荷下的COF曲线，插图显示了样品磨痕的SEM图像。黑色箭头指示细晶样品中存在大量摩擦腐蚀产物。(d)两种样品在1 N载荷下的磨损轨迹横截面的二维轮廓。

图3. 粗晶与细晶样品的摩擦腐蚀层的厚度随摩擦周次的变化图。

图4. (a)粗晶和(b)细晶样品在摩擦腐蚀过程中经过1250周次后的磨损亚表层微观结构的STEM图像。(c, d)EDS扫描取自图(a)和(b)中的绿色虚线矩形。(e, f)Mg和O元素沿图(a)和(b)中黑色箭头的浓度分布。

3.      结语

本研究中，我们发现了高纯镁材料磨蚀动力学的晶粒尺寸效应，即晶粒尺寸减小，磨蚀开路电位稳定不变，耐磨蚀性能提升。与粗晶镁相比，细晶镁遵循准线性磨蚀动力学规律。从材料缺陷入手，调控磨蚀开路电位，并获得优异耐磨蚀特性，对镁合金生物医用等领域具有重要指导作用。