【引言】

    加工或服役過(guò)程中，氫原子會(huì)吸附于金屬表面，并滲透、擴(kuò)散、聚集于某些部位，造成宏觀塑性和強(qiáng)度明顯降低，即氫脆現(xiàn)象。近年來(lái)由于氫能源行業(yè)快速發(fā)展，對(duì)于服役于氫環(huán)境的抗氫材料的性能提出了更高的要求。300系列奧氏體不銹鋼因其較高抗氫脆性和和焊接性被廣泛應(yīng)用于含氫環(huán)境的承載構(gòu)件。

    與奧氏體相比，氫在α′馬氏體中的擴(kuò)散系數(shù)較高但溶解度較低，因此，不銹鋼中馬氏體的存在會(huì)增加材料的氫脆敏感性。再者，亞穩(wěn)定奧氏體不銹鋼在塑性變形過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;′馬氏體的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，遭受較嚴(yán)重氫脆。許多前期研究發(fā)現(xiàn)氫對(duì)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變和斷裂機(jī)制有明顯影響。

    焊接過(guò)程中復(fù)雜的熱循環(huán)使焊縫金屬具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)影響氫傳輸并導(dǎo)致焊縫金屬有較高的氫脆敏感性。因此，研究氫對(duì)奧氏體不銹鋼焊接接頭性能和失效機(jī)制的影響對(duì)理解奧氏體不銹鋼氫脆尤為重要。

    【成果簡(jiǎn)介】

    近日，天津大學(xué)材料學(xué)院研究人員李曉剛、龔寶明（通訊作者）、鄧彩艷（通訊作者）和李一哲在Corrosion Science發(fā)表題為名為“Failure mechanism transition of hydrogen embrittlement in AISI 304 K-TIG weld metal under tensile loading”的研究論文。研究人員通過(guò)對(duì)焊接接頭進(jìn)行不同電流密度的預(yù)充氫來(lái)研究氫-馬氏體相變耦合作用下奧氏體不銹鋼接頭氫脆失效機(jī)制的轉(zhuǎn)變。充氫電流密度從10 mA/cm2增加至100 mA/cm2，氫含量升高，接頭均失效于焊縫，脆性區(qū)失效模式從準(zhǔn)解理/解理失效轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐В芯咳藛T提出這種失效模式的轉(zhuǎn)變與不同氫含量下應(yīng)力誘發(fā)α′馬氏體形成位置的改變有關(guān)。低電流密度（<50 mA/cm2）下應(yīng)力誘發(fā)馬氏體均勻形成于奧氏體晶粒內(nèi)部，裂紋于晶內(nèi)起裂、擴(kuò)展；高電流密度（>50 mA/cm2）下晶界氫富集嚴(yán)重，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體形成于晶界，晶界應(yīng)變集中嚴(yán)重裂紋優(yōu)先于晶界起裂、擴(kuò)展最終沿晶失效。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 不同充氫電流密度下試樣中氫含量

    （a）升溫脫氫分析（b）氫含量

    圖2 不同充氫電流密度下試樣拉伸性能

    （a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線（b）伸長(zhǎng)率δ和氫脆敏感指數(shù)δHE（c）斷面收縮率Ψ和氫脆敏感指數(shù)ΨHE

    圖3 不同充氫電流密度試樣斷口全貌和斷口側(cè)面（SEM）

    圖4 不同充氫電流密度試樣斷口形貌（SEM）

    （a）未充氫試樣斷口（b）（e）（h）（k）充氫試樣斷口脆/塑性區(qū)邊界（c）（f）（i）（l）充氫試樣斷口斷口脆性區(qū)（d）（g）（j）（m）充氫試樣斷口斷口塑性區(qū)

    圖5 不同充氫電流密度下試樣EBSD分析

    （a）晶粒取向分布圖（b）Kernel平均取向差分

    圖6 充氫電流密度10 mA/cm2試樣斷裂后TEM分析

    （a）形變孿晶（b）α′馬氏體

    圖7 充氫電流密度30 mA/cm2試樣斷裂后TEM分析

    （a）形變孿晶和α′馬氏體（b）低密度位錯(cuò)

    圖8 充氫電流密度50 mA/cm2試樣斷裂后TEM分析

    （a）高密度堆垛層錯(cuò)（b）脆性區(qū)內(nèi)部解理斷裂處（對(duì)應(yīng)圖4（h））晶內(nèi)α′馬氏體（c）脆性區(qū)接近試樣表面沿晶斷裂處（對(duì)應(yīng)圖4（i））晶界α′馬氏體（d）沿α′馬氏體裂紋

    圖9 充氫電流密度100 mA/cm2試樣斷裂后TEM分析

    （a）晶界附近α′馬氏體（b）晶界附近高密度位錯(cuò)（c）晶界附近孿晶

    圖10 低充氫電流密度下接頭氫脆失效機(jī)理圖

    圖11 高充氫電流密度下接頭氫脆失效機(jī)理圖

   【小結(jié)】

    通過(guò)對(duì)AISI 304奧氏體不銹鋼焊接接頭中氫含量對(duì)拉伸斷裂失效機(jī)制的影響，主要得到如下結(jié)論：

    （1）氫導(dǎo)致接頭嚴(yán)重的宏觀塑性和強(qiáng)度損失，且這種損失隨充氫電流密度的增加而增加，充氫電流密度超過(guò)50 mA/cm2，塑性和強(qiáng)度損失達(dá)到最大；（2）充氫電流密度從10 mA/cm2增加至100 mA/cm2，脆性區(qū)失效模式從準(zhǔn)解理/解理失效轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐?；?）這種失效模式的轉(zhuǎn)變與晶界附近出現(xiàn)的高密度位錯(cuò)、嚴(yán)重局部氫富集、應(yīng)力誘發(fā)α′馬氏體、形變孿晶的相互作用有關(guān)。

    文獻(xiàn)鏈接：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）

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