不锈钢是指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢等。

2. 不锈钢以及小孔腐蚀 不锈钢是指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢等。 国际不锈钢论坛（ISSF）称，2010年全世界的不锈钢产量达到3070万吨，而我国也突破了1130万吨的产量。

3. 毕业于英国谢菲尔德大（噢，这不是金属研究所第一任所长李薰先生的校友么？）的著名冶金科学家哈利·布雷尔利（Harry Brearley）于20世纪初期发明了不锈钢。 　 不锈钢的发明和使用，要追溯到第一次世界大战时期。布享利·布雷尔利受英国政府军部兵工厂委托，研究武器的改进工作。那时，士兵用的步枪枪膛极易磨损，布雷尔利想发明一种不易磨损的合金钢。布雷尔利发明的不锈钢于1916年取得英国专利权并开始大量生产，至此，从垃圾堆中偶然发现的不锈钢便风靡全球，亨利·布雷尔利也被誉为“不锈钢之父”。 右图上写着：Stainless Steel Made in Sheffield

4. 据统计，美国每年因腐蚀导致的损失大概占国家生产总值的3%。据统计，美国每年因腐蚀导致的损失大概占国家生产总值的3%。 对于不锈钢和铝合金而言，小孔腐蚀（点蚀）是对其最大的威胁。 点蚀的发生起始于材料表面，且经过形核与长大两个阶段，最终向材料表面以下的纵深方向迅速扩展。因此，点蚀破坏具有极大的隐蔽性和突发性。特别是在石油、化工、核电等领域，点蚀容易造成管壁穿孔，使大量油、气泄漏，甚至造成火灾、爆炸等灾难。 不锈钢的点蚀从上世纪30年代开始就被广泛研究，人类对不锈钢点蚀形核机制的探索就从未间断，点蚀成为材料科学与工程领域中的经典问题之一。。研究者普遍认为，点蚀的发生起因于不锈钢中硫化锰夹杂的局域溶解

5. 不锈钢为何“不锈”？ M (Cr\Ni)+O2 MxOy 空气 表面钝化 不锈钢 Cr Fe C Ni Mn Al 不锈钢基体 截面示意图 不锈钢里面添加了很多合金元素。其中铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到12％左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（ 自钝化膜），可阻止钢的基体的腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有钼、镍、钛、铌、铜等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。

6. 不锈钢又为何“生锈”？ 表面夹杂物 钝化膜 夹杂物溶解导致暴露出“新鲜”金属，无钝化膜保护，发生腐蚀 基体 截面示意图 然而，在抗均匀腐蚀的同时，不锈钢的局部腐蚀（即“点蚀”）却难以避免。在钢的表面，或多或少的存在夹杂物，从而导致了钝化膜在此处的不连续。钢中最常见的夹杂物是硫化锰(MnS)或者是某些氧化物。在水溶液介质中，MnS易于溶解。溶解的结果就是暴露出了“新鲜”的钢基体，这些基体没有钝化膜的保护，便开始了腐蚀。

7. 点蚀发生初始位置的确定 上图中展示的是不锈钢发生点蚀后的扫描电镜照片。图中长条状的是夹杂物硫化锰 。点蚀又分为初期的亚稳态蚀坑——这样的蚀坑可能出现之后就停止继续腐蚀，也有可能继续发展呈现出的稳态点蚀坑。后者是金属部件破坏的主要“凶手”。多年来的研究发现，点蚀发生位置多数情况下都起因于不锈钢中硫化锰夹杂的局域溶解。

8. 既然确定了硫化锰夹杂的局域溶解是点蚀发生的原因，那么我们有必要了解硫化锰发生溶解的起始位置。过去，由于研究者们所使用的观察手段的限制，主要在于分辨能力以及缺乏材料微小结构与成分信息的限制，点蚀最初的形核位置被描述为“随机和不可预测的”。点蚀初始位置的“不明确”一直制约着人们对不锈钢点蚀机理的认识以及抗点蚀措施的改进 透射电子显微学，顾名思义，是利用电子穿透材料成像，能够让我们得到材料内部结构的信息的一种科学技术。更重要的是，我们能借助这种手段，把分辨能力提高到了原子尺度。利用透射电子显微镜已经成功的把很多过去在物理、化学以及材料科学中无法认识清楚或是缺少直接证据的难题解决了。在不锈钢点蚀这一经典问题上，又一次看到透射电镜发挥了它的极大优势。那么，我们先花点时间，简单介绍一下透射电子显微镜吧！

9. 透射电子显微学 有位著名的科学家——瑞利，他证明了一个判据：分辨率不能小于观察波长的1/2。也就是说，如果用光学显微镜来观察的话，我们只能看到大于200纳米的微小物体。即使使用紫外线（波长390nm-190nm）,也就是100纳米左右的分辨本领。 历史证明，世界上不缺乏有创新能力的人，只是看有没有刺激创新的动力！在光学分辨率极限让大家沮丧不已的时候，一个伟大的物理学家——德布罗意诞生了。他用他仅仅一页多点的博士论文拿到了诺贝尔奖，因为他证明了所有物质（我们这里关心的是电子）应当同时具有波和粒子两种特点。既然电子也是波，而且波长非常之短（100kV加速电压下，电子波长仅有0.0037nm）,那么如果用电子波取代光波来成像的话，分辨率岂不是将大大提高！！ 路易·维克多·德布罗意(Louis Victor de Broglie，1892——1987年)法国著名理论物理学家

10. 1931年4月7日，鲁斯卡(Ernst Ruska)和马克斯·克诺尔（Max Knoll）基于电子带电通过磁场会偏移的现象，使得通过镜头的电子射线能够像光线一样被聚焦，成功用磁性镜头制成第一台二级电子光学放大镜，实现了电子显微镜的技术原理，当时被称为“超显微镜”。 恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska，1906–1988) 德国著名物理学家

11. 透射电子显微镜能干什么？ 衍衬像与电子衍射花样 X射线能谱 现代的透射电子显微镜 …… 高分辨原子像 电子能量损失谱

12. 利用透射电子显微学确定MnS溶解初始位置 把不锈钢样品放在NaCl溶液(模拟腐蚀环境)浸泡后，在透射电镜下进行原位的观察。如右图，发现MnS(图中长条状)的溶解起始总是发生在一个小颗粒的周围。图a和c分别是同一段夹杂物MnS在浸泡溶解前后的对比。图b和d分别是浸泡前后小颗粒附近局部放大图。

13. 透射电子显微之原位（外）环境实验 通过电子显微学各种手段的综合运用，确定小颗粒为八面体构型的MnCr2O4尖晶石氧化物颗粒

14. 随着时间加长， 溶解以氧化物颗粒为中心，扩展到整个MnS

15. 利用特殊的透射电镜样品台，可以对这种氧化物小颗粒进行三维重构。可以看出，尽管左右两图中的颗粒外貌有些许差异，但这的确是由八个(111)取向的面构成的八面体纳米颗粒。利用特殊的透射电镜样品台，可以对这种氧化物小颗粒进行三维重构。可以看出，尽管左右两图中的颗粒外貌有些许差异，但这的确是由八个(111)取向的面构成的八面体纳米颗粒。

16. 利用第一原理计算，发现那些具有强的活性、易使其周围硫化锰快速溶解的氧化物纳米八面体具有以金属离子作为其外表面的特征（类“恶性肿瘤”），如图a和b中，以铬和锰离子为外表面的氧化物颗粒；相反，较低活性的纳米八面体则以氧离子作为其外表面（类“良性肿瘤”），如图c。

17. 这一发现为揭示不锈钢点蚀初期硫化锰溶解的起始位置提供了直接的证据，使人们对不锈钢点蚀机理的认识从先前的微米尺度提升至原子尺度，为探索提高不锈钢抗点蚀能力的新途径提供了原子尺度的结构和成分信息。这一发现为揭示不锈钢点蚀初期硫化锰溶解的起始位置提供了直接的证据，使人们对不锈钢点蚀机理的认识从先前的微米尺度提升至原子尺度，为探索提高不锈钢抗点蚀能力的新途径提供了原子尺度的结构和成分信息。 Acknowledgement 本科普PPT中关于“不锈钢点蚀电子显微学研究”的内容参考 S.J.Zheng et al. Acta Materialia Volume58, Issue15,pages 5070-5085. 感谢固体原子像部马秀良研究员，张波副研究员，郑士建博士和王宇佳博士等。