出于意料！電化學(xué)拋光過程出現(xiàn)馬氏體相變

電化學(xué)拋光(EP)通過選擇性地去除工件表面區(qū)域中的特定零件（如粗糙度和氧化物）形成鏡面狀表面。當(dāng)電壓施加到酸性溶液中時，金屬表面上的離子溶解，留下鏡面。由于與機械拋光或聚焦離子束研磨相比，EP不施加可能嚴重改變金屬試件表面特征的外力和/或變形，因此它被廣泛用作制備金屬試件以進行精確顯微組織觀察的工藝。

雖然EP只是通過在陽極處向試件表面施加電流來引起電化學(xué)反應(yīng)的過程；然而，有趣的是，已經(jīng)觀察到在幾種亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼的電化學(xué)拋光過程中發(fā)生了顯著的α’馬氏體相變，盡管已有報道在電化學(xué)充氫過程中在陰極發(fā)生馬氏體相變。因此，本研究分析了α在電化學(xué)拋光過程中發(fā)生馬氏體相變的特點，并提出了其機制。

來自韓國浦項科技大學(xué)和首爾大學(xué)的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，16Cr-5Ni亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼在電化學(xué)拋光(EP)過程中發(fā)生了顯著的馬氏體相變。通過電子背散射測量發(fā)現(xiàn)，隨著外加電壓的增加和放電時間的延長，α’馬氏體量增加。有趣的是，通過比較EBSD、X射線衍射儀和鐵氧體顯微鏡的測量結(jié)果，可以確定馬氏體相變發(fā)生在發(fā)生EP的表面。

用COMSOL多物理方法計算了不同外加電壓下的表面電荷分布，探討了電沉積誘發(fā)馬氏體相變的機理。為了準確地考慮樣品的表面形狀，本研究使用原子力顯微鏡測量了粗糙度的三維空間分布，并將其作為COMSOL多物理模擬的初始條件。

最后，通過反映表面電荷分布的第一性原理計算，得出結(jié)論：在電化學(xué)拋光過程中，由于表面電荷的積聚，導(dǎo)致應(yīng)力誘發(fā)奧氏體不銹鋼表面的馬氏體相變，從而產(chǎn)生顯著的應(yīng)力。

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圖1.用于粗糙度形態(tài)分析的原子力顯微鏡(AFM)圖像(a)30×30微米區(qū)域獲得的3D圖像，(b)3×3微米區(qū)域獲得的3D圖像，以及(c)3×3微米區(qū)域的Z軸高度分布等值線圖



圖2.不銹鋼表面粗糙度周圍發(fā)生的電化學(xué)拋光(EP)和氧化還原反應(yīng)示意圖。



圖3.EP模擬模型概述(a)EP的設(shè)計模擬條件和尺寸，(b)不同定義的粗糙度及其相應(yīng)的網(wǎng)格條件，以及(c)EP模擬的邊界條件



圖4.用于密度泛函計算的鐵結(jié)構(gòu)的各種視圖(a)FCC(111)體結(jié)構(gòu)的超晶胞，(b)分別顯示FCC(111)和BCC(110)面的超晶胞的俯視圖.



圖5.電處理條件對16Cr-5Ni-0.15C-0.1N-0.9Si-0.3Mn(wt.%)不銹鋼馬氏體相變的影響(a)在1150℃下1h退火的樣品的反極曲線和相圖，以及(b)不同電壓和不同電火花持續(xù)時間下馬氏體含量的電子背散射圖像.



圖10.面離子電荷密度(C/m2)轉(zhuǎn)化為面心立方(111)面上每個Fe原子的電子數(shù)的過程；計算的面上電子電荷密度可通過以下兩項除以面心立方(111)面上的電子數(shù)：面心立方(111)面上的面積和電子電荷量。



圖14.16Cr5Ni-0.15C-0.1N-0.9Si-0.3Mn(wt.%)不銹鋼的室溫真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和加工硬化率曲線

在16Cr-5Ni-0.15C-0.1N-0.9Si-0.3Mn(wt.%)不銹鋼中，本研究發(fā)現(xiàn)了一種意想不到的α’馬氏體相變現(xiàn)象。用電子探針、X射線衍射儀和鐵氧體顯微鏡對電火花處理后的試件進行分析，發(fā)現(xiàn)α’馬氏體的形成主要集中在不銹鋼的末端表面。利用原子力顯微鏡定量分析了EP處理過程中表面粗糙度的形態(tài)特征，并對Rku、Rq和堿基長度數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，以闡明電化學(xué)拋光處理過程中α’馬氏體的形成機制。

根據(jù)粗糙面的形狀和尺寸進行了多物理模擬，計算了電沉積過程中每個鐵原子通過粗糙面的電子數(shù)。通過密度泛函理論計算，確定了電子流入在晶格中產(chǎn)生的電致應(yīng)力。通過對電化學(xué)拋光誘發(fā)應(yīng)力下馬氏體相變相互作用能的分析，闡明了電化學(xué)拋光處理可以發(fā)生熱力學(xué)穩(wěn)定的α’馬氏體相變。

審核編輯：劉清