Nature Materials：利用化学不均匀性提高高强度钢的抗氢性

第一作者：Binhan Sun

通讯作者：Binhan Sun，Dierk Raabe

通讯单位：马克斯·普朗克研究所

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

背景

氢(H)是宇宙中最轻、最小、最丰富的原子，当它变成一种高强度合金的一部分时，这种材料的承载能力就突然丧失了。这种现象被称为氢脆，是造成服役中大型工程结构灾难性和不可预测的失效的原因。金属材料的强度和抗氢脆性之间的矛盾是设计在含氢环境中工作的轻质而可靠的结构部件的内在障碍。因此，必须找到经济和可扩展的微观结构解决方案来应对这一挑战。

本文研究的问题

在这里，本文介绍了一种违反直觉的策略来利用材料微观结构中典型的不受欢迎的化学异质性，这使得局部增强抗裂性和局部氢捕获成为可能。本文在一种含锰高强度钢中使用了这种方法，并在显微组织中产生了高度分散的富锰区域。这些富含溶质的缓冲区允许局部微调相稳定性，阻止氢诱导的微裂纹，从而中断氢辅助损伤的渗流。这样，在不牺牲材料强度和延展性的情况下，获得了优异的抗氢脆性能(提高了两倍)。因此，开发化学异质性而不是避免它们，本文的方法拓宽了通过先进的热机械工艺进行微结构工程的视野。

图1|化学异质诱导止裂的概念，作为防止氢脆的一种措施，以及在奥氏体中设计为非均质锰分布的高强度钢的微观结构。

• 本文提供了一种基于利用钢的组织成分中的溶质不均匀性的策略的解决方案，同时精心设计的成分局部变化有助于提高局部抗裂性，创建缓冲区阻止H诱导的微裂纹，否则这些微裂纹将在H诱导的相或界面内或沿H诱导的相或界面快速扩展(图1a)。
• 本文的高强度钢(强度等级~1 GPa)含有亚微米尺寸的铁素体(α)和奥氏体(γ，图1B)，并表现出相变诱发塑性(TRIP)效应，其特征是变形驱动从面心立方奥氏体向体心四方α‘-马氏体的位移转变。
• 本文提出的工艺利用了在一系列精心设计的退火阶段中快速形成的不同含锰奥氏体区之间的缓慢的Mn均匀化动力学。在奥氏体内部产生了~5at.%Mn的成分变化(图1c，d)，它由富锰的稳定缓冲岛和周围的贫锰亚稳奥氏体区域组成。在单个或多个连续奥氏体晶粒中形成多个这样的富锰区(图1d)。

图2|通过设计化学异质来提高抗氢脆性能。

• 在相同的氢浓度下，HET试样的总延伸率(~22.1%-40.3%)几乎是HOM试样(~10.3%-22.2%)的两倍，这是由慢应变速率(~8×10-5s-1)拉伸测试确定的(图2a)。
• 本文进一步将我们的微结构工程方法与以前报道的其他增强氢脆抗性的方法进行了比较(图2b)。抗氢性在这里用有H的拉伸延展性和所谓的H脆性指数。

图3：HET样品在无氢条件下的微观结构演变。

• 本文还验证了富锰缓冲带(γ，富锰)对氢诱导微裂纹的局部抵抗作用，并揭示了其潜在的止裂机制。首先，本文重点研究了富锰区奥氏体的变形行为(图3)。较高的Mn含量降低了奥氏体向马氏体相变的化学驱动力，从而提高了奥氏体的局部机械稳定性。因此，与其他区域的奥氏体不同，在这些区域中，α‘-马氏体是通过TRIP效应应变而形成的，富锰奥氏体区域抵抗相变(图3a，b)，而是通过部分位错的滑动和纳米孪晶的形成而变形(高分辨率透射电子显微镜和选区电子衍射结果见图3b)，这是由于堆叠断层能增加而造成的。

图4 | 化学不均匀性引起的氢致裂纹止裂。

• 这些γ富锰结构域保持其相稳定的能力使它们成为塑性顺应的缓冲区，它们可以阻止从邻近转变区域侵入的H诱导的裂纹。如图4a所示，缓冲机制通过两种效应起作用：(1)奥氏体比α‘-马氏体具有更高的H溶解度和更低的H扩散系数(两者相差2个数量级以上)，因此它起到了H捕获区的作用，同时减缓了H的迁移； (2)裂纹尖端奥氏体增强的塑性柔度和流动导致裂纹钝化。在当前带氢断裂的HET试样中经常观察到钝裂纹，且被未转变的奥氏体所包围。
• 另一方面，本文使用原子探针断层扫描(APT)分析了在本文的异质处理钢中，典型的阻止H诱导裂纹附近区域的纳米级成分(图4b，c)。氢致裂纹优先在铁素体和α‘-马氏体界面处形核。

结语

总而言之，本文将化学异质性(通常不受欢迎，因为它对材料的常规损伤容限有不利影响)转变为一种增强固有的抗氢脆能力的机制。为了避免异质性，合金通常要经过昂贵的高温和长时间的均匀化处理，这会对环境造成很大的负面影响。本文的方法是违反直觉的：设计和利用了化学异质性，而不是避免它，从而阻止H诱导的微裂纹并抑制它们的扩展。此外，本文利用化学异质性的策略有望为其他先进的金属加工技术提供重要的见解，如粉末冶金和添加剂制造，在这些技术中，可能存在多种选择来操纵溶质分布或图案化。在这一背景下，溶质异质性引起的独特的复合效应——即局部化学波动提供的高抗裂性和其他显微组织成分产生的高机械性能的组合——也可以推广到其他存在抗氢组分依赖性的合金中。

本文由SSC供稿。