Nature Materials：利用化學不均勻性提高高強度鋼的抗氫性

第一作者：Binhan Sun

通訊作者：Binhan Sun，Dierk Raabe

通訊單位：馬克斯·普朗克研究所

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-021-01050-y

背景

氫(H)是宇宙中最輕、最小、最豐富的原子，當它變成一種高強度合金的一部分時，這種材料的承載能力就突然喪失了。這種現象被稱為氫脆，是造成服役中大型工程結構災難性和不可預測的失效的原因。金屬材料的強度和抗氫脆性之間的矛盾是設計在含氫環境中工作的輕質而可靠的結構部件的內在障礙。因此，必須找到經濟和可擴展的微觀結構解決方案來應對這一挑戰。

本文研究的問題

在這里，本文介紹了一種違反直覺的策略來利用材料微觀結構中典型的不受歡迎的化學異質性，這使得局部增強抗裂性和局部氫捕獲成為可能。本文在一種含錳高強度鋼中使用了這種方法，并在顯微組織中產生了高度分散的富錳區域。這些富含溶質的緩沖區允許局部微調相穩定性，阻止氫誘導的微裂紋，從而中斷氫輔助損傷的滲流。這樣，在不犧牲材料強度和延展性的情況下，獲得了優異的抗氫脆性能(提高了兩倍)。因此，開發化學異質性而不是避免它們，本文的方法拓寬了通過先進的熱機械工藝進行微結構工程的視野。

圖1|化學異質誘導止裂的概念，作為防止氫脆的一種措施，以及在奧氏體中設計為非均質錳分布的高強度鋼的微觀結構。

• 本文提供了一種基于利用鋼的組織成分中的溶質不均勻性的策略的解決方案，同時精心設計的成分局部變化有助于提高局部抗裂性，創建緩沖區阻止H誘導的微裂紋，否則這些微裂紋將在H誘導的相或界面內或沿H誘導的相或界面快速擴展(圖1a)。
• 本文的高強度鋼(強度等級~1 GPa)含有亞微米尺寸的鐵素體(α)和奧氏體(γ，圖1B)，并表現出相變誘發塑性(TRIP)效應，其特征是變形驅動從面心立方奧氏體向體心四方α‘-馬氏體的位移轉變。
• 本文提出的工藝利用了在一系列精心設計的退火階段中快速形成的不同含錳奧氏體區之間的緩慢的Mn均勻化動力學。在奧氏體內部產生了~5at.%Mn的成分變化(圖1c，d)，它由富錳的穩定緩沖島和周圍的貧錳亞穩奧氏體區域組成。在單個或多個連續奧氏體晶粒中形成多個這樣的富錳區(圖1d)。

圖2|通過設計化學異質來提高抗氫脆性能。

• 在相同的氫濃度下，HET試樣的總延伸率(~22.1%-40.3%)幾乎是HOM試樣(~10.3%-22.2%)的兩倍，這是由慢應變速率(~8×10-5s-1)拉伸測試確定的(圖2a)。
• 本文進一步將我們的微結構工程方法與以前報道的其他增強氫脆抗性的方法進行了比較(圖2b)。抗氫性在這里用有H的拉伸延展性和所謂的H脆性指數。

圖3：HET樣品在無氫條件下的微觀結構演變。

• 本文還驗證了富錳緩沖帶(γ，富錳)對氫誘導微裂紋的局部抵抗作用，并揭示了其潛在的止裂機制。首先，本文重點研究了富錳區奧氏體的變形行為(圖3)。較高的Mn含量降低了奧氏體向馬氏體相變的化學驅動力，從而提高了奧氏體的局部機械穩定性。因此，與其他區域的奧氏體不同，在這些區域中，α‘-馬氏體是通過TRIP效應應變而形成的，富錳奧氏體區域抵抗相變(圖3a，b)，而是通過部分位錯的滑動和納米孿晶的形成而變形(高分辨率透射電子顯微鏡和選區電子衍射結果見圖3b)，這是由于堆疊斷層能增加而造成的。

圖4 | 化學不均勻性引起的氫致裂紋止裂。

• 這些γ富錳結構域保持其相穩定的能力使它們成為塑性順應的緩沖區，它們可以阻止從鄰近轉變區域侵入的H誘導的裂紋。如圖4a所示，緩沖機制通過兩種效應起作用：(1)奧氏體比α‘-馬氏體具有更高的H溶解度和更低的H擴散系數(兩者相差2個數量級以上)，因此它起到了H捕獲區的作用，同時減緩了H的遷移； (2)裂紋尖端奧氏體增強的塑性柔度和流動導致裂紋鈍化。在當前帶氫斷裂的HET試樣中經常觀察到鈍裂紋，且被未轉變的奧氏體所包圍。
• 另一方面，本文使用原子探針斷層掃描(APT)分析了在本文的異質處理鋼中，典型的阻止H誘導裂紋附近區域的納米級成分(圖4b，c)。氫致裂紋優先在鐵素體和α‘-馬氏體界面處形核。

結語

總而言之，本文將化學異質性(通常不受歡迎，因為它對材料的常規損傷容限有不利影響)轉變為一種增強固有的抗氫脆能力的機制。為了避免異質性，合金通常要經過昂貴的高溫和長時間的均勻化處理，這會對環境造成很大的負面影響。本文的方法是違反直覺的：設計和利用了化學異質性，而不是避免它，從而阻止H誘導的微裂紋并抑制它們的擴展。此外，本文利用化學異質性的策略有望為其他先進的金屬加工技術提供重要的見解，如粉末冶金和添加劑制造，在這些技術中，可能存在多種選擇來操縱溶質分布或圖案化。在這一背景下，溶質異質性引起的獨特的復合效應——即局部化學波動提供的高抗裂性和其他顯微組織成分產生的高機械性能的組合——也可以推廣到其他存在抗氫組分依賴性的合金中。

本文由SSC供稿。