天津大学Corros. Sci.：氢含量对304奥氏体不锈钢焊接接头拉伸断裂失效机制转变的影响

【引言】

加工或服役过程中，氢原子会吸附于金属表面，并渗透、扩散、聚集于某些部位，造成宏观塑性和强度明显降低，即氢脆现象。近年来由于氢能源行业快速发展，对于服役于氢环境的抗氢材料的性能提出了更高的要求。300系列奥氏体不锈钢因其较高抗氢脆性和和焊接性被广泛应用于含氢环境的承载构件。

与奥氏体相比，氢在α′马氏体中的扩散系数较高但溶解度较低，因此，不锈钢中马氏体的存在会增加材料的氢脆敏感性。再者，亚稳定奥氏体不锈钢在塑性变形过程中会经历从奥氏体转变为α′马氏体的应力诱发马氏体转变，遭受较严重氢脆。许多前期研究发现氢对应力诱发马氏体转变和断裂机制有明显影响。焊接过程中复杂的热循环使焊缝金属具有特殊的微观结构，这些微观结构影响氢传输并导致焊缝金属有较高的氢脆敏感性。因此，研究氢对奥氏体不锈钢焊接接头性能和失效机制的影响对理解奥氏体不锈钢氢脆尤为重要。

【成果简介】

近日，天津大学材料学院研究人员李晓刚、龚宝明（通讯作者）、邓彩艳（通讯作者）和李一哲在Corrosion Science发表题为名为“Failure mechanism transition of hydrogen embrittlement in AISI 304 K-TIG weld metal under tensile loading”的研究论文。研究人员通过对焊接接头进行不同电流密度的预充氢来研究氢-马氏体相变耦合作用下奥氏体不锈钢接头氢脆失效机制的转变。充氢电流密度从10 mA/cm²增加至100 mA/cm²，氢含量升高，接头均失效于焊缝，脆性区失效模式从准解理/解理失效转变为沿晶失效，研究人员提出这种失效模式的转变与不同氢含量下应力诱发α′马氏体形成位置的改变有关。低电流密度（<50 mA/cm²）下应力诱发马氏体均匀形成于奥氏体晶粒内部，裂纹于晶内起裂、扩展；高电流密度（>50 mA/cm²）下晶界氢富集严重，应力诱发马氏体形成于晶界，晶界应变集中严重裂纹优先于晶界起裂、扩展最终沿晶失效。

【图文导读】

图1 不同充氢电流密度下试样中氢含量

（a）升温脱氢分析

（b）氢含量

图2 不同充氢电流密度下试样拉伸性能

（a）应力-应变曲线

（b）伸长率δ和氢脆敏感指数δ_HE

（c）断面收缩率Ψ和氢脆敏感指数Ψ_HE

图3 不同充氢电流密度试样断口全貌和断口侧面（SEM）

图4 不同充氢电流密度试样断口形貌（SEM）

（a）未充氢试样断口

（b）（e）（h）（k）充氢试样断口脆/塑性区边界

（c）（f）（i）（l）充氢试样断口断口脆性区

（d）（g）（j）（m）充氢试样断口断口塑性区

图5 不同充氢电流密度下试样EBSD分析

（a）晶粒取向分布图

（b）Kernel平均取向差分

图6 充氢电流密度10 mA/cm²试样断裂后TEM分析

（a）形变孪晶

（b）α′马氏体

图7 充氢电流密度30 mA/cm²试样断裂后TEM分析

（a）形变孪晶和α′马氏体

（b）低密度位错

图8 充氢电流密度50 mA/cm²试样断裂后TEM分析

（a）高密度堆垛层错

（b）脆性区内部解理断裂处（对应图4（h））晶内α′马氏体

（c）脆性区接近试样表面沿晶断裂处（对应图4（i））晶界α′马氏体

（d）沿α′马氏体裂纹

图9 充氢电流密度100 mA/cm²试样断裂后TEM分析

（a）晶界附近α′马氏体

（b）晶界附近高密度位错

（c）晶界附近孪晶

图10 低充氢电流密度下接头氢脆失效机理图

图11 高充氢电流密度下接头氢脆失效机理图

【小结】

通过对AISI 304奥氏体不锈钢焊接接头中氢含量对拉伸断裂失效机制的影响，主要得到如下结论：

（1）氢导致接头严重的宏观塑性和强度损失，且这种损失随充氢电流密度的增加而增加，充氢电流密度超过50 mA/cm²，塑性和强度损失达到最大；

（2）充氢电流密度从10 mA/cm²增加至100 mA/cm²，脆性区失效模式从准解理/解理失效转变为沿晶失效；

（3）这种失效模式的转变与晶界附近出现的高密度位错、严重局部氢富集、应力诱发α′马氏体、形变孪晶的相互作用有关。

文献链接：Failure mechanism transition of hydrogen embrittlement in AISI 304 K-TIG weld metal under tensile loading（Corros. Sci.,November 8,2017,DOI：10.1016/j.corsci.2017.10.032）

本文由天津大学李晓刚提供。

投稿以及内容合作可加编辑微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我们会邀请各位老师加入专家群。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

仪器设备、试剂耗材、材料测试、数据分析，找材料人、上测试谷！