中科院金属所Acta Mater.：逆转变奥氏体对S41500马氏体不锈钢氢脆断裂的影响

【引言】

具有多相微观结构的马氏体钢（MS）由于其高强度、高韧性、良好的焊接性能等而广泛应用于水轮机、汽车等许多工业应用。普遍认为，奥氏体由于富集奥氏体稳定化元素（Ni或C）可以通过相变诱发塑性（TRIP）效应提高MS和马氏体不锈钢（MSS）的延展性和韧性。然而，在实际应用中，可能发生腐蚀，阴极反应会产生氢气，这可能导致氢脆（HE）和过早的失效。奥氏体是马氏体钢中的亚稳相，由于氢能降低奥氏体的堆垛层错能（SFE），在应力（或应变）和氢侵蚀下将转变为马氏体。因此，奥氏体的稳定性也可能对HE断裂产生很大的影响。

【成果简介】

近日，中国科学院金属研究所的张波副研究员在Acta Mater.上发表了题为“The role of reversed austenite in hydrogen embrittlement fracture of S41500 martensitic stainless steel ”的文章。这篇文章为S41500 MSS的断裂面正下方的裂缝表面特征提出了新的观察和解释，目的是揭示逆转变奥氏体（RA）对耐氢脆性的影响。MSS在电化学氢气充电条件下进行应变速率缓慢的拉伸试验。研究发现含有更多RA的钢具有较小的氢脆性。聚焦离子束（FIB）用于HE断裂后断裂路径的TEM观察样品。结果表明，断裂面附近的RA已经转变为新形成的马氏体（NFM），并且在回火马氏体/ NFM边界和板条边界两端都发生裂纹。三维原子探针（3DAP）证实RA是H捕获位点。因此，RA的作用是它可以作为稳定的氢捕获位点，其可以通过降低板条和晶界处的氢含量来增加耐氢脆性。但由于氢再分布的结果，马氏体转变后可以发生回火马氏体/ NFM边界的裂纹，因此会产生不利效果。

【图文导读】

图一：热处理示意图本实验使用UNS S41500低碳MSS。该合金在1050℃下奥氏体化2h，然后水淬。进行双回火（680℃，2小时，630℃，2小时）和单回火（630℃，2小时）处理，以制备最终合金。

图二：不同热处理的钢的金相和SEM-BSE图像

(a、b) 双回火后的金相和SEM-BSE图像。

(c、d) 单回火后的金相和SEM-BSE图像。

图三：不同热处理后马氏体不锈钢的XRD谱

根据XRD分析，两种合金具有明显的马氏体衍射峰和奥氏体衍射峰，但具有不同的积分强度。

图四：工程应力 - 应变曲线

在空气和氢气环境中测试的DT和ST样品的应变速率为10^-5 s^-1的工程应力 - 应变曲线。

图五：断面的SEM图像

(a、b、c) DT样品断面的SEM图像。

(d、f、e) ST样品断面的SEM图像。(a、d)在空气中测试的样品；(b、e)使用动态氢气充气测试的断裂面的边缘；(c、f)在电化学氢充电条件下测试的断裂面的中心。

图六：DT样品的TEM图像

(a) 明场图像。

(b) 对应的SAED图像。

图七：DT样品的APT原子分布图

(a) Ni，Cr，Mo，C和H的元素分布。

(b) 通过RA和马氏体（M），Ni和H的三维原子图。

(c) H，C，Ni和Cr的组成分布。

图八：TEM显微照片

(a) 提取FIB样品的位置。

(b) 明场图像和对应的SAED图案。

(c) (b)中Ni的EDX元素映射。

(d) (b)中Fe的EDX元素映射。

【小结】

这项研究工作表明，RA在电化学氢气充电条件下对S41500马氏体不锈钢的耐氢脆性有很大的影响。随着RA含量的增加，HE敏感性降低，主要断裂模式从晶间变化到准裂解断裂。断裂路径上的裂纹路径的FIB / TEM观察结果提供了纳米级断裂过程的洞察视图。结合马氏体板条和原子尺度的RA元素分布（特别是H）的3DAP分析，可以更清楚地揭示RA对马氏体不锈钢氢诱发开裂的作用。

文献链接：The role of reversed austenite in hydrogen embrittlement fracture of S41500 martensitic stainless steel（Acta Mater.2017，DOI:10.1016/j.actamat.2017.08.011）

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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