（a）未冲氢                    （b）冲氢

图11 非氢及氢环境条件下钢材弯曲断口变化[22]

（a）未冲氢                       （b）冲氢

图12 不同氢环境下疲劳试样的断口形貌对比[23]

图13氢致延迟断裂预测[24]

图14氢致延迟断裂过程模拟（Molecular）[24]

6 氢致延迟断裂测试评价方法

汽车用超高强度钢氢脆(氢致延迟断裂)试验包括零件试验和材料试验，其中理想的状态是在服役条件下开展零件试验，但试验周期往往很长，因此各种加速试验是被广泛采用。当前针对超高强度钢零部件氢脆试验，相关研究报道较少，已有部分企业采用了零部件浸泡酸溶液试验，或者预弯曲+浸泡试验，试验时间由企业自行决定。针对超高强度钢材料氢脆试验，国内外相关研究或类似标准也较多，各研究者采用的方法也种类繁多，主要有以下几种测试评价技术方法。

1、恒应力/应变试验是通过机械装置或恒载试验机对样品进行恒定的拉伸或弯曲载荷加载，试样可采用光滑或缺口试样，试验过程中试样采用浸泡或电化学方式充氢。由于恒应力加载断裂时间一般通过人为确定一个时间，试验结果分散度较大，目前的试验大多采用充氢+恒载试验，试验指标采用充氢与未充氢条件下材料的断裂应力差异化分析来评价材料氢脆敏感性，同时观察断裂后断口形貌。

2、慢应变速率拉伸：近年来也有研究者趋向于采用慢应变速率试验研究超高强度钢的氢脆敏感性。其中国标GB/T 15970.7 、 ISO 7539、ASTM E8M-03等标准均提及了慢应变速率拉伸，应变速率范围为10-3～10-7/s，一般采用10-5/s，试样采用光滑或缺口试样，同样试验过程中需要充氢。

3、准静态拉伸：相对于传统的恒载荷与低应变速率试验，研究者们尝试更高应变速率的试验来评价氢脆敏感性。准静态拉伸的时间较短，样品可考虑预充氢的形式，应变速率在10-3/s的水平，试样可采用光滑或者缺口试样。

4、断裂力学试验：本试验方法通常采用WOL型预制裂纹试样，在含氢介质条件下加载，用断裂力学的方法求出临界应力场强度因子KⅠ或及裂纹扩展速率da/dt等断裂力学参量。其优点是真实反映了实际构件难免存在宏观缺陷的情况，节省了裂纹产生的时间，但这种方法只针对断裂裂纹的扩展，不对裂纹的萌生提供任何评价。

5、冲杯试验：作为一种标准化的氢致开裂评价方法，在欧洲应用得较为广泛。相比于U弯试验 ，冲杯试验中发生氢致开裂的临界应变与临界氢含量更高，也即冲杯试验中材料在更高的应变和可扩散氢含量条件下才会发生氢致开裂 （图15）。目前此试验的一般流程是对钢材进行不同变形量条件下的冲杯试验，利用XRD等表征手段获取相应的残余应力大小，再将冲杯样品置于不同氢环境下进行浸泡，观测在指定时间内样品是否出现开裂，若开裂则对断口进行测评。目前国内诸如中国汽车工程研究院、北京科技大学、香港大学、鞍钢（图15）等机构正在开展此类试验研究。

图15 冲杯试验实例[25]

综上所述，由于高强钢的延迟断裂是钢中的氢引起的，除了受材料因素的影响外，还依存于环境因素和应力因素，而钢中许可的临界氢含量和环境氢的定量化还没有统一，因此目前尚没有统一的延迟断裂试验方法，探索像屈服强度或抗拉强度那样的材料本征特性评价指标就成了未来研究工作的热点之一。

7 微合金化对提升钢材氢致延迟断裂的作用

如前所述，导致高强钢发生氢致延迟断裂的根本原因是钢中的可扩散氢与各类晶体缺陷产生交互引起的。在服役氢环境、外加载模式等因素无法控制的基础上，如何降低钢中的可扩散氢含量就成为防止钢产生氢致延迟断裂的根本，而其关键在于如何在钢基体内部营造出强烈的氢陷阱环境。根据近年来国内外研究结果表明：营造氢陷阱环境的关键在于合理的控制钢中的第二相粒子及细化晶粒，其中针对第二相，通过促进其尺寸规格纳米化，形成高能氢陷阱；其次通过控制钢中的第二相粒子析出并结合细化晶粒，促进钢中氢元素分布更加的弥散化，从而降低可扩散氢含量并防止氢的富集，起到抑制氢致延迟断裂的作用。根据当前国内外研究现状，在原有钢材成分基础上，通过添加Ti、Mo、Nb、V等微元素，控制第二相粒子析出，细化晶粒、增大晶界面积，被认为是最为合理有效的技术手段。国内外在此方面均开展了大量的工作。

近年来，针对含Nb微合金高强钢研究正成为国内研究的焦点。已有研究结果表明：通过Nb微合金化细化晶粒对提高抗氢致延迟断裂发生的临界应力有益。随着Nb含量提高钢材抗拉强度也将提升，其抗氢致延迟断裂性能也能得到明显改善。有研究认为随着Nb含量增加钢材的吸氢量会降低，可能与晶界强化有关，Nb析出物的尺寸、分布及形态对延迟开裂也有很大影响。此外由于NbC无共格、无应力场，这可能是使高Nb含量钢的高温回火吸氢减小原因，且NbC还可作为强的氢捕捉陷阱，可实现将氢固定其周围，降低氢的扩散系数，防止氢向易萌生裂纹的潜在危险部位富集，降低材料的氢脆敏感性（图16[26]）。国内有研究者针对传统的22MnB5，开展了通过Nb微合金化提升其临界氢致延迟断裂应力的研究，结果表明：通过添加5～8%的Nb元素使钢材临界氢致延迟断裂应力由500MPa提升至1000MPa，取得了良好的改善效果。

图16 含Nb钢氢陷阱作用机理[26]

除Nb外，近年来V微合金化高强钢研究也是国内外重点研究的焦点。已有研究结果表明：钢中的V元素也可与碳结合形成金属化合物粒子，并可作为强有力的氢捕捉陷阱。关于VC对氢的捕捉效果Y.S.Chen等采用预先低温冻结氢原子，再利用3维原子探针结合X射线断层扫描等手段，观察VC粒子对氢原子的捕捉效果。如图17可以看出：氢原子更加趋向于在VC粒子聚集区域内富集，这也直接体现了VC粒子对氢原子的捕捉能力。攀钢集团研究院针对TWIP钢，研究了V微合金化对其抗氢致延迟断裂性能的改善效果。如图18可以看出：与上述类似，在V聚集区域内同样发生了氢元素的富集。

图17  VC对氢的捕捉效果[27]

图18 NbC对氢的捕捉效果[28]

近年来，基于Nb、V等不同微合金元素各自的优势，国内外也开始致力于采用复合微合金化方式，起到进一步改善钢材氢致延迟断裂性能的作用。中信金属联合中国汽车工程研究院、马钢等机构开发出了新型0.04%Nb+0.04%V的复合微合金化热成形用钢，氢脆性能试验结果表明其抗延迟断裂性能明显优于传统的22MnB5，取得了显著的微合金化技术应用成效。

此外通过添加Al元素达到改善钢材抗氢致延迟断裂性能也为国内业界所关注，如鞍钢研究院曾经研究了含Al元素的TWIP钢的氢脆性能。如图19可以看出，在TWIP钢中添加一定量的Al，可以抑制氢在钢材中的扩散，提升其抗氢致延迟断裂性能。韩国浦项集团也针对TWIP钢做了类似的研究，取得了类似效果（图20）。

图19 Al对TWIP钢中氢元素扩散系数的影响

图20 Al对TWIP钢延迟断裂性能影响

8 总结

综上所述，高强钢的耐氢致延迟开裂性能已经作为一个世界性的难题，受到国内外业界的广泛关注，开展了大量的研究，未来可预计在以下几个方面进一步进行系统的技术攻关研究，以尽快解决这一共性技术难题：

1、建立囊括环境、应力、氢浓度三者统一的氢脆物理模型；

2、建立真正能够反映不同的产品服役特性条件下钢材氢脆敏感性的检测技术方法及评价表征参量；

3、通过系统试验，尽快获取不同类别、强度级别钢种的氢脆临界工艺控制参数窗口；

4、铜鼓试验评价技术转化，形成合理、可行的钢材氢脆预测手段；

5、大力发展 Nb、V等微合金/复合微合金化超高强钢。

参考文献

[1] 李军，路洪洲，易红亮，郭爱民. 乘用车轻量化及微合金化钢板的应用. 北京:北京理工大学出版社，2015.

[2] 罗洁，郭正洪，戎咏华. 先进高强度钢氢脆的研究进展.机械工程材料, 2015, 39(8): 1-9.

[3] 黄发，周庆军. 高强钢的氢致延迟断裂行为研究进展, 宝钢技术, 2015, 3:11-16.

[4] Lovicu.,et al. Proc. of 2nd Int. Conf. on Super High Strength Steels, 2010,Italy.

[5] M.Smialowsk. Hydrogen In Steel. Pergamon press, 1962.

[6] L.J.Qiao., et al. Study of correlation crack growth in a high strength steel.TransMet.Soc, 1966, 236(9): 513-518.

[7] RobertsonIM, Lillig D, Ferreira PJ. In: Somerday B, Sofronis P, Jones R, editors. Effects of hydrogen on materials. Materials Park, OH: ASMInternational; 2009.p. 22.

[8] 周庆军，黄发，王利. 抗拉强度980MPa汽车用超高强钢延迟断裂行为研究.第十届中国钢铁年会暨第六届宝钢学术年会论文集, 2016, 1-7.

[9] 万荣春，付立铭，王学双，韩志勇，单爱党. 1180MPa级超高强度汽车薄钢板的延迟断裂性能. 金属热处理，2017， 42(1): 91-94.

[10] 万荣春，单爱党. 超高强钢组织结构对延迟断裂性能的影响. 热加工工艺,2014, 43(8): 217-219.

[11] BarnoushA, Yang B, Vehoff H. Effect of hydrogen and grain boundaries ondislocationnucleation and multiplication examined with a NI-AFM, vol. 47.Berlin:Springer; 2008. p. 253.

[12] Davies. Hydrogenembrittlement of dual-phase steel. Metallurgical Transactions:A, 1981,12(9):1667-1672.

[13] LoidlM, Kolk O, Veith S., et al. Characterization of hydrogenembrittlementinautomotive advanced high strength steels. Metallurgical Transactions, 2011, 42(12): 1105-1110.

[14] Mccoyra,Gerberich W. Hydrogenembrittlement studies of TRIP steel.MetallurgicalTransactions, 1973, 4(2): 539-547.

[15] Ronevich, Speerjg, Matlockdk. Hydrogen embrittlement of commerially producedadvancedhigh strength steels. SAE International Journal of Materials&Manufacturing, 2010, 3（1）：255-267.

[16] Mittal, Prasadrc. Effect of hydrogen on fracture of austenitic Fe-Mn-C steel.ISIJInternational, 1994, 34(2): 211-216.

[17] KoyamaM, Akiyama E, Tsuzaki K. Effect of hydro content on the embrittlement inaFe-Mn-C twinning induced plasticity steel. Corrosion Science, 2012, 59:277-281.

[18] LovicuG, Bagliani E P, De Sanctis M., et al. Hydrogen embrittlement of amedium carbonQ&P steel. Acta Materialia Inc, 2013, 6: 3-10.

[19] MayL. Martin, Jamey A. On the formation and nature of quasi-cleavagefracturesurfaces in hydrogen embrittled steels. Acta Materialia Inc, 2011,59:5555-5561.

[20] Afrooz Barnoush, Horst Vehof. Recent developments in the study ofhydrogenembrittlement: Hydrogen effect on dislocation nucleation. ActaMaterialia Inc,2011, 58:5274-5285.

[21] JameyA. Fenske. In: International conference on hydrogen effects onmaterialsbehavior and corrosion deformation interactions, Moran, WY, USA; 2002.p.449–66.

[22] Akihide Nagao, Cynthia D. Smith c. The role of hydrogen in hydrogenembrittlementfracture of lath martensitic steel. Acta Materialia Inc, 2012,60:5182-5189.

[23] T.Doshida, M. Nakamura. Hydrogen-enhanced lattice defect formation andhydrogenembrittlement of cyclically prestressed tempered martensitic steel.ActaMaterialia Inc, 2013, 61:7755-7766.

[24] JunSong, W. A. Atomic mechanism and prediction of hydrogen embrittlement iniron. MaterialsEngineering, 2013, 12:145-151.

[25]  惠卫军, 董瀚. 高强度钢耐延迟断裂性能的评价方法. 理化检验,2001, 37(6): 231-235.

[26] Shiqi Zhang,Yunhua Huang,Bintang Suna，et al. Effect of Nb onhydrogen-induced delayed fracture in high strength hot stamping steels. MaterialsScience and Engineering: A, 2015, 626:136-143.

[27] Y.-S.Chen, D. Haley. Direct observation of individual hydrogen atoms attrappingsites in a ferritic steel. Materials and Methods, 2017, 1196-1199.

[28] Y. Chen，H. Lu et al “Observationof hydrogen trapping at dislocations，grain boundariesand precipitates” Science 10 Jan 2020:Vol. 367, Issue6474, pp. 171-175.

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