DOI: https://doi.org/10.1038/s41529-026-00750-7
تاريخ النشر: 2026-02-04
المؤلف: Siqi Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: هشاشة الهيدروجين وسلوكيات التآكل في المعادن
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير الطحن السطحي على مقاومة التآكل الناتج عن الحفر للفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 عالي الكبريت (عالي-S) ومنخفض الكبريت (منخفض-S). تشير التحليلات الميكروكيميائية إلى أن شوائب كبريتيد المنغنيز (MnS) هي مواقع بدء حيوية للتآكل الناتج عن الحفر، بينما المناطق الخالية من MnS لا تظهر أي حفر. تسلط الأبحاث الضوء على أن الطحن الشديد باستخدام ورق سيليكون كربيد #60 يقلل بشكل ملحوظ من إمكانية الحفر، بينما يؤدي الطحن المعتدل باستخدام ورق سيليكون كربيد #320 إلى تغييرات طفيفة في مقاومة التآكل.
يرتبط الانخفاض الملحوظ في مقاومة التآكل الناتج عن الحفر بعد الطحن الشديد بالتعديلات الناتجة عن الطحن في شكل شوائب MnS، التي تصبح مشوهة ومدفونة في مصفوفة الفولاذ. على النقيض من ذلك، يحافظ الطحن المعتدل على شكل شوائب MnS، مما يحافظ على مقاومة الحفر مشابهة لتلك الموجودة في الأسطح المصقولة بالمرآة. كما تشير الدراسة إلى أن الطحن يخلق سمك فيلم غير متساوٍ، حيث تعمل التقاطعات بين شوائب MnS والخدوش كمواقع تفضيلية لبدء الحفر. ومع ذلك، فإن القدرة الوقائية المنقوصة للأفلام السلبية وحدها لا تفسر تمامًا الانخفاض الكبير في إمكانية الحفر الملحوظة بعد الطحن الشديد.
مقدمة
تعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ مواد أساسية معروفة بمقاومتها للتآكل، ومع ذلك تظل عرضة للتآكل المحلي تحت ظروف معينة. تم التركيز على أبحاث واسعة لفهم آليات التآكل المحلي وتعزيز مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ. جانب مهم من هذه الأبحاث هو العلاقة بين إنهاء السطح ومقاومة التآكل الناتج عن الحفر. تشير الدراسات إلى أن الطحن، وخاصة باستخدام أوراق السيليكون كربيد الخشنة، يقلل من مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل المحلي من خلال زيادة تكرار تشكيل الحفر غير المستقر وتقليل إمكانيات الحفر. من الجدير بالذكر أن الأسطح الخشنة تظهر إمكانيات انهيار أقل مقارنة بالأسطح الملساء المصقولة كهربائيًا، مما يبرز العلاقة بين خشونة السطح والقدرة على التآكل.
على الرغم من هذه النتائج، تظل الآليات الدقيقة التي يؤثر بها الطحن على مقاومة التآكل الناتج عن الحفر غير واضحة، خاصة فيما إذا كان ذلك بسبب زيادة خشونة السطح أو تشوه السطح الناتج عن الطحن. يُفترض أن التغيرات في خصائص الفيلم السلبي، وخاصة محتوى الكروم، تلعب دورًا حاسمًا في هذه العملية. أظهرت الدراسات السابقة أن التغيرات الناتجة عن المعالجة في الميكروهيكل السطحي واستقرار الفيلم السلبي تؤثر بشكل كبير على مقاومة التآكل الناتج عن الحفر. ومع ذلك، اعتمدت الأبحاث إلى حد كبير على التحليلات المتوسطة للسطح، مما ترك فجوة في فهم عدم تجانس الأفلام السلبية الناتجة عن الطحن. تهدف هذه الدراسة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال استخدام مجهر إلكتروني ناقل مصحح للانحراف (AC-STEM) لمراقبة الأفلام السلبية مباشرة على الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 المطحون وتحليل تجانس هذه الأفلام. بالإضافة إلى ذلك، يتم فحص دور شوائب كبريتيد المنغنيز (MnS) في التآكل الناتج عن الحفر، حيث أشارت الدراسات السابقة إلى مشاركتها في بدء الحفر، ومع ذلك تظل آثار الطحن على هذه العملية غير مستكشفة بشكل كاف. تستخدم الدراسة التحليل الميكروكيميائي للتحقيق في سلوك التآكل المحلي عند شوائب MnS، إلى جانب تقنيات مختلفة لتوصيف السطح لتقييم خصائص الأسطح المطحونة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون توصيف المواد للفولاذ المقاوم للصدأ منخفض الكبريت (منخفض-S) وعالي الكبريت (عالي-S)، مع التركيز على إنهاء أسطحها وخصائص الشوائب. تم تحقيق إنهاء الأسطح من خلال التلميع بالمرآة (MP) والطحن باستخدام ورق سيليكون كربيد #320 و #60، المسمى G320 و G60، على التوالي. تكشف صور المجهر الضوئي (OM) أن أسطح MP ناعمة ومتجانسة، بينما تظهر أسطح G320 و G60 علامات طحن، حيث تظهر G60 خدوشًا أعمق. تم تقييم معلمات خشونة السطح، Ra (متوسط الخشونة الحسابي) و Rz (ارتفاع القمة إلى الوادي)، بشكل كمي، مما يظهر زيادة في الخشونة من MP إلى G60 لكلا نوعي الفولاذ، كما هو ملخص في الجدول 1.
بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء توصيف الشوائب باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والتحليل الطيفي للطاقة المشتتة (EDS). تشير صور OM إلى أن الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض-S يحتوي على عدد قليل من الجسيمات الرمادية الصغيرة، بينما يحتوي النوع عالي-S على عدد كبير من الجسيمات الرمادية الممتدة، التي تتراوح عادةً بين 30-100 ميكرومتر. يشير تحليل EDS إلى أن هذه الشوائب هي في الأساس كبريتيدات المنغنيز (MnS)، على الرغم من اكتشاف مساهمات طفيفة من الكروم (Cr) والحديد (Fe) من مصفوفة الفولاذ. من الجدير بالذكر أن بعض المناطق داخل شوائب MnS في الفولاذ عالي-S أظهرت إشارات قابلة للاكتشاف من الأكسجين (O) و Cr، مما يشير إلى احتمال وجود كروميت المنغنيز (MnCr2O4)، على الرغم من عدم إجراء تحليل إضافي في هذه الدراسة. يتم تفصيل التركيزات الذرية النسبية للعناصر في نقاط مختلفة داخل الشوائب في الجدول 2.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على نتائج التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح البيانات الكمية والنوعية التي تم الحصول عليها، مع التركيز على الاتجاهات والأنماط الملحوظة في النتائج. قد يتضمن القسم تحليلات إحصائية، مثل قيم p أو فترات الثقة، لدعم صحة النتائج. بالإضافة إلى ذلك، يتم الإشارة إلى أي أشكال أو جداول ذات صلة توضح النتائج، مما يوفر تمثيلًا بصريًا للبيانات.
تشير النتائج إلى أن الفرضيات كانت مدعومة إلى حد كبير، مع آثار ملحوظة على مجال الدراسة. يتم مناقشة نتائج محددة، مثل العلاقة بين المتغيرات أو فعالية تدخل معين، بالتفصيل. بشكل عام، تساهم النتائج في فهم أعمق لسؤال البحث وتضع الأساس للتحقيقات المستقبلية.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة من ورقة البحث العلاقة بين إنهاء السطح وإمكانية الحفر في الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض-S وعالي-S، مع التركيز بشكل خاص على آثار الطحن على شوائب MnS. تكشف اختبارات الاستقطاب الديناميكي أن كلا من الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض-S وعالي-S يظهران إمكانيات حفر مشابهة للأسطح المصقولة ميكانيكيًا (MP) و G320، بينما تظهر السطح G60 انخفاضًا ملحوظًا في إمكانية الحفر. يُعزى هذا الانخفاض إلى التغيرات الشكلية في شوائب MnS الناتجة عن الطحن، التي تصبح مشوهة ومدفونة داخل مصفوفة الفولاذ، مما يؤدي إلى زيادة القابلية للتآكل الناتج عن الحفر.
تشير التحليلات الإضافية إلى أن بدء الحفر يحدث بشكل تفضيلي عند شوائب MnS، حيث يعزز عملية الطحن هذا التأثير. تسلط الدراسة الضوء على أنه بينما يزيد الطحن من النشاط الكهروكيميائي لكل من MnS ومصفوفة الفولاذ، فإنه لا يسرع بشكل كبير من ذوبان MnS. بدلاً من ذلك، يظهر تغيير شكل MnS – على وجه الخصوص، embedding و cracking للشوائب – كعامل حاسم في الانخفاض الملحوظ في إمكانية الحفر، خاصة بالنسبة للسطح G60 المطحون بشدة. تؤكد النتائج على أهمية شوائب MnS في بدء الحفر وتقترح أن سلامتها الشكلية ضرورية للحفاظ على مقاومة التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ الخاضع للإنهاء الميكانيكي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41529-026-00750-7
Publication Date: 2026-02-04
Author(s): Siqi Wang et al.
Primary Topic: Hydrogen embrittlement and corrosion behaviors in metals
Overview
This study examines the impact of surface grinding on the pitting corrosion resistance of high-sulfur (high-S) and low-sulfur (low-S) Type 304 stainless steels. Microelectrochemical analyses indicate that manganese sulfide (MnS) inclusions are critical initiation sites for pitting corrosion, while regions devoid of MnS show no pitting. The research highlights that severe grinding using #60 SiC paper markedly decreases the pitting potential, whereas moderate grinding with #320 SiC paper results in minimal changes to corrosion resistance.
The observed reduction in pitting corrosion resistance following severe grinding is linked to grinding-induced modifications in the morphology of MnS inclusions, which become deformed and embedded in the steel matrix. In contrast, moderate grinding preserves the morphology of MnS inclusions, maintaining pitting resistance similar to that of mirror-polished surfaces. The study also notes that grinding creates uneven passive film thickness, with intersections between MnS inclusions and scratches serving as preferential sites for pit initiation. However, the diminished protective capability of passive films alone does not fully explain the significant decrease in pitting potential observed after severe grinding.
Introduction
Stainless steels are essential materials known for their corrosion resistance, yet they remain susceptible to localized corrosion under specific conditions. Extensive research has focused on understanding the mechanisms of localized corrosion and enhancing the corrosion resistance of stainless steels. A significant aspect of this research is the relationship between surface finishing and pitting corrosion resistance. Studies indicate that grinding, particularly with coarse silicon carbide (SiC) papers, reduces the resistance of stainless steels to localized corrosion by increasing the frequency of metastable pit formation and lowering pitting potentials. Notably, rough surfaces exhibit lower breakdown potentials compared to electro-polished smooth surfaces, underscoring the correlation between surface roughness and susceptibility to corrosion.
Despite these findings, the precise mechanisms by which grinding affects pitting corrosion resistance remain unclear, particularly whether this is due to increased surface roughness or grinding-induced surface deformation. It is hypothesized that changes in the passive film properties, particularly the chromium content, play a critical role in this process. Previous studies have shown that processing-induced alterations in surface microstructure and passive film stability significantly influence pitting corrosion resistance. However, research has largely relied on surface-averaged analyses, leaving a gap in understanding the non-uniformity of passive films resulting from grinding. This study aims to address this gap by employing aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (AC-STEM) to directly observe passive films on ground Type 304 stainless steel and analyze the uniformity of these films. Additionally, the role of manganese sulfide (MnS) inclusions in pitting corrosion is examined, as previous studies have indicated their involvement in pit initiation, yet the effects of grinding on this process remain underexplored. The study utilizes microelectrochemical analysis to investigate localized corrosion behavior at MnS inclusions, alongside various surface characterization techniques to evaluate the properties of the ground surfaces.
Methods
In this section, the authors detail the materials characterization of low-sulfur (low-S) and high-sulfur (high-S) stainless steels, focusing on their surface finishes and inclusion characteristics. The surface finishes were achieved through mirror polishing (MP) and grinding with #320 and #60 silicon carbide (SiC) paper, designated as G320 and G60, respectively. Optical microscopy (OM) images reveal that the MP surfaces are smooth and uniform, while the G320 and G60 surfaces display grinding marks, with G60 exhibiting deeper scratches. Surface roughness parameters, Ra (arithmetic mean roughness) and Rz (peak-to-valley height), were quantitatively assessed, showing an increase in roughness from MP to G60 for both steel types, as summarized in Table 1.
Additionally, the inclusion characterization was performed using scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive spectroscopy (EDS). OM images indicate that the low-S stainless steel contains few small gray particles, whereas the high-S variant has numerous elongated gray particles, typically measuring 30-100 μm. EDS analysis suggests that these inclusions are primarily manganese sulfides (MnS), although minor contributions from chromium (Cr) and iron (Fe) from the steel matrix were detected. Notably, certain regions within the MnS inclusions in the high-S steel exhibited detectable oxygen (O) and Cr signals, hinting at the potential presence of manganese chromite (MnCr2O4), although further analysis was not conducted in this study. The relative atomic concentrations of elements at various points within the inclusions are detailed in Table 2.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the outcomes of the experiments or analyses conducted. It details the quantitative and qualitative data obtained, emphasizing significant trends and patterns observed in the results. The section may include statistical analyses, such as p-values or confidence intervals, to support the validity of the findings. Additionally, any relevant figures or tables that illustrate the results are referenced, providing a visual representation of the data.
The findings indicate that the hypotheses were largely supported, with notable implications for the field of study. Specific results, such as the correlation between variables or the effectiveness of a particular intervention, are discussed in detail. Overall, the results contribute to a deeper understanding of the research question and lay the groundwork for future investigations.
Discussion
The discussion section of the research paper examines the relationship between surface finishing and pitting potential in low-S and high-S stainless steels, particularly focusing on the effects of grinding on MnS inclusions. Potentiodynamic polarization tests reveal that both low-S and high-S stainless steels exhibit similar pitting potentials for mechanically polished (MP) and G320 surfaces, while the G60 surface shows a marked decrease in pitting potential. This reduction is attributed to the morphological changes in MnS inclusions induced by grinding, which become deformed and embedded within the steel matrix, leading to increased susceptibility to pitting corrosion.
Further analysis indicates that pitting initiation occurs preferentially at MnS inclusions, with the grinding process exacerbating this effect. The study highlights that while grinding increases the electrochemical activity of both MnS and the steel matrix, it does not significantly accelerate MnS dissolution. Instead, the alteration of MnS morphology—specifically, the embedding and cracking of inclusions—emerges as a critical factor in the observed decrease in pitting potential, particularly for the severely ground G60 surface. The findings underscore the importance of MnS inclusions in pitting initiation and suggest that their morphological integrity is vital for maintaining corrosion resistance in stainless steels subjected to mechanical finishing.