文献学习：抑制夹杂物局部腐蚀的新策略
非金属夹杂物作为钢材微观组织中的关键第二相，其类型与分布特征深刻影响材料服役行为。而在含硫油气田的高腐蚀环境中，TiN夹杂物诱发的局部腐蚀导致石油套管钢平均服役寿命仅15年，重大维修成本超千万元。由此Gao等人[1]对如何抑制夹杂物的局部腐蚀提出了新策略，并在腐蚀领域顶刊《Corrosion Science》发表。
图1. 传统有害夹杂物（a、b）与其研究的稀土改性夹杂物（c）在钢材中的腐蚀行为对比机制
为有效控制夹杂物诱发的局部腐蚀，需满足三个关键条件：
1.热膨胀系数匹配性：夹杂物与钢基体的热膨胀系数应匹配，以避免微应力或微缝隙腐蚀；
2.化学稳定性：夹杂物需具有化学稳定性，不易发生化学溶解；
3.电化学相容性：夹杂物为非导电体，或与基体的电位差不显著，从而抑制微电偶腐蚀。
在研究中，研究人员先利用第一性原理计算和热力学模拟来解析稀土改性机制，结果如图1所示。计算发现，Y2O3兼具优异力学性能（μm=2.11最高）与加工性，且热膨胀系数最匹配基体（稀土夹杂物与基体界面无微缝隙，减少局部应力集中），故选定为最优夹杂物。
图2. 针对YAlO3、Y2O3、Y2O2S、YS、Y2S3及MgAl2O4等夹杂物体系的第一性原理与经典热力学计算研究：（a）热膨胀系数计算；（b）生成焓计算结果；（c）自由能计算结果；（d）弹性常数计算结果；（e）工艺性能指数评估；（f）Y-Al-C-Si-Mn-P-Cu-Cr-Mo-Fe多元体系在1873K下的夹杂物优势区图
研究人员在利用热力学筛选工艺参数并结合第一性原理预测后，基础材料采用P110级套管钢，加入Fe-Y合金，熔炼试验合金，并根据Y元素的含量不同，将其分别命名为Z0，Y1，Y2，Y3，Y4。在石油套管钢中形成的夹杂物类型与Y含量直接相关，如图3中的电镜图所示，随着Y含量的增加，夹杂物类型从YAlO3转变为Y2O3，然后转变为Y2O2S。在前面的第一性原理计算中可知，在中等Y含量下形成的Y2O3夹杂物表现出优异的化学稳定性和最小的微应力，可以有效地抑制局部腐蚀。因此，控制Y含量对于优化夹杂物类型和减轻局部腐蚀至关重要。
图3. 稀土Y处理试样中典型夹杂物的形貌与物相分析（TEM表征）：（a1）试样Y1典型夹杂物明场像；（b1）Ca-Al-O夹杂物衍射花样；（c1）YAlO3夹杂物衍射花样；（a2）试样Y2典型夹杂物明场像；（b2）Y2O3夹杂物衍射花样；（c2）CaS夹杂物衍射花样；（a3）试样Y3典型夹杂物明场像；（b3）Y2O2S夹杂物衍射花样；（c3）Y2O3夹杂物衍射花样
为研究这五种合金的耐蚀性，研究人员还进行了电化学极化和阻抗测试，结果如图4、5所示，结果表明Y3合金最耐蚀，其次是Y4。
图4. （a）动电位极化试验；（b）局部放大图像
图5. 电化学阻抗谱测试；（a）奈奎斯特图；（b）波特图；点代表测试值，线代表拟合值
为更深入探究夹杂物与钢基体之间的电化学行为，研究人员同时采用原子力显微镜（AFM）表征YAlO3、Y2O3与Y2O2S夹杂物的伏打电位及导电性，如图6所示。腐蚀顺序：基体→Y2O2S→Y2O3（虽然Y2O3与基体电位差比Y2O2S与基体电位差大，但Y2O2S因300nm高度差更易暴露于腐蚀介质，导致更易腐蚀）。而在电导率测试中，钢基体与所有夹杂物满足绝缘特性，阻断电子转移，排除微电偶腐蚀的可能。
图6. 相关夹杂物（a）Ca-YAlO3夹杂物；（b）Y2O3-Y2O2S复相夹杂物的原子力显微镜（AFM）扫描测试；
为考虑夹杂物与钢基体之间的应力集中，研究人员不仅进行了EBSD表征，同时还采用有限元模拟夹杂物周围的应力场。如图7、8所示，EBSD和模拟应力分布结果表明，在Y2O3/钢基体界面处的应力集中相对较低，腐蚀倾向低（根据Gutman力电化学理论：高位错密度区（＞1010cm-2）作为高能活性区，在腐蚀过程中优先溶解）。
图7. 典型夹杂物的电子背散射衍射（EBSD）表征：（a1-c1）夹杂物形貌；（a2-c2）典型夹杂物的局部取向差（KAM）分布图；（a3-c3）典型夹杂物的反极图（IPF）；（a4-c4）显微组织图；（a）Ca-YAlO₃夹杂物；（b）CaS-Y2O3复合夹杂物；（c）Y2O2S夹杂物
图8. 夹杂物周围应力场的有限元模拟：（a1-a2）Y2O3夹杂物的应力/应变场；（b1-b2）YAlO3夹杂物的应力/应变场；（c1-c2）Y2O2S夹杂物的应力/应变场；（e1-e2）菱形裂纹-Y2O2S夹杂物的应力/应变场；（f1-f2）垂直于应力场的椭圆形裂纹-Y2O2S夹杂物的应力/应变场；（g1-g2）平行于应力场的椭圆形裂纹-Y2O2S夹杂物的应力/应变场（应力单位：MPa）
图9. 夹杂物诱发局部腐蚀机理示意图（a）夹杂物与钢基体（YAlO3夹杂物）之间发生微应力腐蚀；（b）夹杂物与钢基体（Y2O3夹杂物）和谐共存；（c）夹杂物与钢基体（Y2O2S夹杂物）之间发生微缝隙腐蚀
综上所述，该研究通过建立耐蚀夹杂物体系设计准则（图9为夹杂物诱发局部腐蚀机理示意图），为开发兼具高强度（添加了Y元素的钢材力学性能也足够优异）和优异抗SSCC（硫化物应力腐蚀开裂）性能的油气套管钢奠定了理论基础。
