重磅《Nature》子刊：反常理设计！大幅提高高强度钢的抗氢脆性！

2021-07-12 13:56:14 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：金属材料的强度和抗氢脆之间的不协同性是设计在含氢环境中工作的轻质可靠的结构组件的内在障碍。本文引入了一种违反直觉的策略，利用材料微观结构中典型的非期望的化学不均匀性，从而实现局部增强抗裂性和局部氢捕获。在含锰的高强度钢中使用这种方法，在组织中产生高分散的富锰区。这些富含溶质的缓冲区域允许局部微调整相稳定性，阻止氢引起的微裂纹，从而中断氢辅助损伤的渗透。这导致了优越的氢脆抵抗而不牺牲材料的强度和延展性。，不是避免而是开发化学非均质性的策略拓宽了通过先进的热机械加工微观结构工程的视野。

当宇宙中最轻、最小、最丰富的原子氢（H）进入一种高强度合金（强度超过650 MPa）时，这种材料的承载能力就会突然丧失。这种被称为氢脆性的现象是造成大型工程结构在役中灾难性和不可预测的失效的原因。钢占全球金属合金市场的90%，这意味着即使钢的性能稍有改善，也会对全球产生影响。然而，高强度钢特别容易引发氢脆性，因为低于百万分之一重量（ppmw）的氢就足以导致其力学性能的急剧下降。这种对氢脆的极度敏感的现象，加上在钢铁生产使用过程中往往不可避免的氢进入，引发了人们对这些材料在当前无碳氢推进工业和减少排放运输解决方案中使用的特别关注。

溶质氢引起的灾难性破坏通常是由加速损伤演化过程引起的（1）通常只有百万分之几氢的进入，然后在微观结构内扩散，与各种晶格缺陷（如空位、位错和界面）相互作用；（2）氢缺陷相互作用加速损伤成核和扩展；（3）在裂纹尖端应力场的作用下，裂纹尖端周围通过扩散积累了更多的氢，从而进一步促进了裂纹的开裂。目前的工程解决方案通常包括通过应用保护涂层来防止氢的进入，然而保护涂层可能会在研磨和腐蚀环境下失效。另一种选择是设计具有内在弹性的微观组织（例如，通过晶粒细化或引入氢缺陷析出相），但这些措施会降低无氢条件下的应变硬化能力和塑性。微合金化在钢中形成各种氢捕获沉淀（例如，Ti基和V基碳化物）可以抑制内部氢迁移，尽管这会增加了材料的成本。然而，当所有氢捕集器都被填充到饱和状态时，这种方法就失去了有效性。由于这些沉淀的体积分数通常很低（低于1%），即有限的氢存储体积，这种情况很容易发生。因此，开发廉价且可扩展的微结构解决方案，使其既具有本质上的高抗氢性，又具有高机械性能，仍然是一个基本的挑战。

在此，德国马普所的Binhan Sun联合中国南方科技大学的Wenjun Lu等提出了一种基于利用钢组织成分中溶质不均匀性的策略的解决方案。精心设计的局部成分变化有助于局部增强抗裂性，从而形成缓冲区，阻止氢诱导的微裂纹，否则这些微裂纹将在氢侵蚀相或界面内部或沿氢侵蚀相或界面快速扩展。相关研究成果以题“Chemical heterogeneity enhances hydrogen resistance in high-strength steels”发表在科学杂志顶刊Nature Materials上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01050-y

我们在轻质高强度中锰（Mn）钢（0.2C-10Mn-3Al-1Si重量百分比）上演示了我们的方法。在相图和热化学的计算机耦合（CALPHAD）的帮助下，奥氏体相内Mn 异质性的精心调整设计产生了分散在整个样品中的高数量密度的微观限制的富锰缓冲区。在合金变形过程中，从软奥氏体到硬马氏体的动态转变在这些缓冲区内被局部抑制，这是由于与局部较高的Mn含量相关的机械稳定性增加。结果，微观结构演变成嵌入硬基体中的软岛的高度分散，这经常使氢诱导的微裂纹变钝和停滞。化学不均匀性是通过不完全Mn分配/均质化的热处理来实现的。加工过程可以完全由 CALPHAD 方法指导，并且可以很容易地扩展到既定且价格合理的工业加工路线。此外，它可以推广到具有相同目标的其他类型的高强度钢，即赋予其微观结构增强的抗氢脆化能力。

图1 化学非均质性诱导止裂的概念，作为一种抑制氢脆性的措施，以及设计为奥氏体内非均质Mn分布的高强度钢的微观组织。a, 概念示意图，显示了氢诱导裂纹扩展穿过设计的富溶质缓冲区，溶质浓度分布图和相应的抗裂性示意图显示在右侧。b, 电子背散射衍射图（EBSD）加图像质量图（IQ）显示了奥氏体-铁素体双相组织。c, 基于扫描电子显微镜（SEM）的能量色散 X 射线光谱（EDX）图揭示了微观结构中的Mn的整体分布模式。化学缓冲区是指在奥氏体相内锰高度富集（~14–16 at.% Mn）的区域（其中一些由椭圆框标记）。d, 高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）观察和EDX分析，显示在一个奥氏体晶簇甚至一个奥氏体晶粒内存在多个富锰区。分别从标记的圆形和矩形框架拍摄的选定区域电子衍射和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像放置在 STEM 图像的右侧。EDX 线剖面取自EDX图中白色箭头标记的区域。

图2 通过设计化学不均匀提高抗氢脆性。a, 与 HOM 参考材料相比，HET样品的慢应变速率拉伸性能。两个样品都经受相同的 H 预备条件（相似的 H 量）。此处显示了总氢浓度为~6.5 ppmw的样品的代表性拉伸曲线。插图显示了作为总氢浓度函数的两个样品的延展性。还包括对具有相似强度水平（即屈服强度在~600 MPa以上，抗拉强度在~1,000 MPa）的商用高强度钢（TRIP 9808、QP 9809和DP7钢）进行测试的文献数据，表明汽车应用中所需的抗氢脆性。误差棒代表重复测试的标准偏差。b，我们的方法与文献中报道的其他 H 电阻增强方法之间的比较，就它们在 H 存在下对拉伸延展性改善的影响而言（ID = [（εf-H，after – εf-H ,before）/εf-H,before] × 100%，其中 εf-H,before和 εf-H,after分别是采用增阻方法前后含氢试样的总伸长率或断裂应变）。我们对氢预备试样（红色虚线框中的实心红星符号）和变形期间连续电化学充电的试样（空心星符号）进行了测试。文献数据来自不同材料，包括低合金铁素体/马氏体钢、管线钢、各种先进高强度钢、马氏体时效钢、各种奥氏体不锈钢和高熵合金，经过电化学或气态氢气预充或原位氢准备。

图3 HET样品在无氢条件下的微观结构演变。a，示意图说明了受变形的拉伸试件和EBSD原位探测，红色的点表示EBSD图像的拍摄位置。非原位电子背散射衍射观察到局部拉伸应变（εloc）为40%时，显示部分奥氏体-马氏体相变。b, STEM和EDX分析大致从a中标记的矩形框架的次表面生成。HAADF-STEM图像中的插图是从黄色矩形框中获取的透射Kikuchi衍射相位加IQ图。EDX线剖面图取自EDX图中箭头标记的区域。红外透射电镜图显示了孪晶结构的选定区域电子衍射（SAED）， fcc基体和fcc孪晶的衍射点由两个不同颜色的四边形标记。

图4 化学非均质性对氢裂纹的阻止。a，裂纹止裂机理示意图。稳定的γMn-rich材料能够抵抗变形诱导的相变，由于其塑性的增强和H扩散系数的降低，使其能够钝化和阻止氢诱导的微裂纹的侵入。b，化学非均质性处理的充氢断裂钢（总氢量为6.3 ppmw）中具有代表性的钝化氢诱发裂纹。在接近断口和试样侧边氢接近饱和的区域，利用二次电子（SE）成像探测裂纹。图中是APT尖端的透射Kikuchi衍射（TKD）相位图，它位于尖端被提出来的位置。红色虚线表示铁素体（α）与奥氏体/马氏体（γ/α？）的界面。白色箭头表示裂纹扩展方向。c，针尖的APT结果如图b所示，包含Mn的等成分表面图、二维（2D） Mn浓度图和一维（1D） Mn在α‘和γ上的分布（误差条代表标准差）。颜色（粉色、黄色、蓝色）表示不同的锰含量……

综上所述，我们将化学不均匀性（通常由于其对材料常规损伤容限的有害影响而不受欢迎）转变为一种增强对氢脆的固有抵抗力的机制。为了避免非均质性，合金通常要经受昂贵的高温处理和漫长的均质处理，这对环境造成了很大的负面影响。我们的方法是反直觉的：我们设计和利用化学不均一性，而不是避免它，以阻止氢诱发的微裂纹并抑制其扩展。用于开发具有特定程度化学不均匀性的微观结构的基本热力学原理在于相变和溶质扩散之间的高动力学失配，这种效应通常适用于合金钢（和一些钛合金）。因此，我们的方法可以转移到大量含有亚稳奥氏体的高性能钢中，针对不同的应用领域（例如各种Trip辅助的高级高强度钢、亚稳不锈钢和马氏体Trip钢）使用本文中介绍的抗裂增强机制。此外，我们利用化学异质性的策略有望为其他先进金属加工技术提供重要见解，如粉末冶金和增材制造，其中可能存在多种选择来操纵溶质分布或设计。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。