Corros. Sci.：稳定的Cr-Ni-Mn-N奥氏体不锈钢中碳对氢脆的影响

【引言】

氢气是未来可再生能源极具吸引力的候选之一，许多国家计划建立氢能站，分配能源。但是氢能站许多工件会暴露于氢气中并遭受氢脆化（HE），其表现为材料的延展性和韧性严重降低。因此，抗氢脆性是工件最重要的特性之一，而具有如此应用潜力的一种合金是不锈钢（STSs）。

导致HE的主要因素是氢的扩散系数和溶解度，低扩散性抑制氢气进入材料，大溶解度降低了材料内氢的偏析倾向。因此，与铁素体STSs相比，具有较低扩散系数和较大的氢溶解度的奥氏体STSs，更不易受到HE的影响。但是控制这些因素并不能完美解决HE。一些奥氏体钢在变形诱发的马氏体转变中易受氢气侵蚀，此外HE也会发生在稳定的奥氏体STSs中。因此，一些研究调查了合金元素对HE趋势的直接影响，还有一些研究将稳定的奥氏体钢的HE趋势与HE机制联系起来等等。总之，难以只用奥氏体STSs中的一种理论来解释HE。

【成果简介】

近日，韩国浦项科技大学的Sung-Joon Kim（通讯作者）等人在Corrosion Science上发表了一篇名为“The effect of carbon on hydrogen embrittlement in stable Cr-Ni-Mn-N austenitic stainless steels”的文章，研究人员通过在稳定的奥氏体不锈钢中添加0.02或0.1wt.%的C来研究碳浓度对氢脆的影响。在变形期间，两种不同C浓度钢都出现明显的平面滑移和细小的位错结构，其后出现机械孪晶。在氢气预充之后，具有较高C浓度的合金更容易发生氢脆。基于应变硬化行为，研究人员提出C增强了平面滑移，改善了机械孪晶。因此，较高的C浓度导致更多的位点，用于应力集中和氢捕获，并加速脆化。

【图文导读】

图1 不同C含量的未充氢气和预充氢气试样的拉伸性能

（a）工程应力应变曲线；

（b）应变硬化速率曲线。

图2 0.02C和0.1C固溶热处理后未变形试样和SSRT后的未充氢气和预充氢气试样的的XRD光谱

结果表明，无论预充氢和碳含量如何，经过热处理和变形后，完全为奥氏体组织。

图3 变形期间的微观结构演化（EBSD带对比图）

（a）不充气0.02C，未变形；

（b）不充气0.02C，ε= 0.3；

（c）不充气0.02C，断口；

（d）不充气0.1C，未变形；

（e）不充气0.1C，ε= 0.3；

（f）不充气0.1C，断口。

图4 细位错结构和机械孪生演化与应变（明场TEM图像）

（a）不充气0.02C，ε= 0.3；

（b）不充气0.02C，断口；

（c）不充气0.1C，ε= 0.3时；

（d）不充气0.1C，断口。

带轴始终平行于<100>_fcc。HDDW：高密度位错墙。

图5 0.02C试样拉伸断口的形貌分析（SEM）

（a）不充气拉伸试样中心处的宏观图像；

（b）不充气拉伸试样中心处的微观图像；

（c）不充气拉伸试样边缘的微观图像；

（d）预充气拉伸试样中心处的宏观图像；

（e）预充气拉伸试样中心处的微观图像；

（f）预充气拉伸试样边缘的微观图像。

图6 0.1C试样拉伸断口的形貌分析（SEM）

（a）不充气拉伸试样中心处的宏观图像；

（b）不充气拉伸试样中心处的微观图像；

（c）不充气拉伸试样边缘的微观图像；

（d）预充气拉伸试样中心处的宏观图像；

（e）预充气拉伸试样中心处的微观图像；

（f）预充气拉伸试样边缘的微观图像。

图7 0.02C试样拉伸断裂后侧视图的形貌分析（SEM）

（a）不充气拉伸试样的宏观图像；

（b）不充气拉伸试样的微观图像；

（c）预充气拉伸试样的宏观图像；

（d）预充气拉伸试样的微观图像。

图8 0.1C试样拉伸断裂后侧视图的形貌分析（SEM）

（a）不充气拉伸试样的宏观图像；

（b）不充气拉伸试样的微观图像；

（c）预充气拉伸试样的宏观图像；

（d）预充气拉伸试样的微观图像。

图9 试样拉伸断裂后侧视图的形貌分析（SEM）

（a）预充气0.02C，滑移面；

（b）预充气0.02C，晶粒内的微孔和微裂纹；

（c）预充气0.02C，沿滑移面的裂纹；

（d）预充气0.1C，晶粒内的微孔和微裂纹；

（e，f）预充气0.1C，沿滑移面的裂纹。

【小结】

在稳定的20Cr-11Ni-5Mn-2Mo-0.5Si-0.3N奥氏体STSs中研究了碳对氢脆的影响。

（1）碳增加了平面滑移趋势，导致形成诸如HDDWs的细小位错结构，导致线性应变硬化机制。

（2）当流动应力克服机械孪生的临界应力时，孪生开始发生。孪晶的临界应变以及形态取决于合金中的碳浓度。

（3）合金抗氢脆性的高电阻归因于稳定的奥氏体以及浅氢扩散深度。

（4）0.1C具有更多的HDDWs，孪晶和晶界的交叉点，作为应力集中和/或捕集氢的位置，并且与0.02C相比，预充气时会形成更活跃的微孔和微裂纹。

（5）阻氢性能不仅与奥氏体稳定性有关，也与平面滑移趋势有关。因此，需要进一步研究奥氏体的变形机理，以设计用于氢环境的奥氏体不锈钢。

文献链接：The effect of carbon on hydrogen embrittlement in stable Cr-Ni-Mn-N austenitic stainless steels(Corros. Sci.,2017,DIO.org/10.1016/j.corsci.2017.05.004)

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