導讀：本文通過慢應變速率拉伸試驗研究了具有不同梯度孿晶結構的孿晶誘發塑性 (TWIP) 鋼的孿晶和氫脆(HE) 行為。結果表明，梯度設計可以非常有利于緩解 TWIP 鋼的強度-延展性權衡困境，特別是在氫環境下。在陰極充氫后的不同結構中，最突出的是逆梯度結構材料，它綜合利用了樣品邊緣區域的細小再結晶晶粒和中心粗粒梯度設計，有效降低了氫脆HE，提高綜合力學性能。

由于高強度和延展性的出色結合，高錳孿晶誘導塑性 (TWIP) 鋼已成為許多汽車制造和自動化行業應用的流行材料。許多研究將這種獨特的特性組合歸因于“動態 Hall-Petch”效應，這是由應變過程中連續形成雙胞胎引起的。通常，拉伸變形過程中產生的總孿晶體積分數由層錯能 (SFE)決定. 一些統計結果表明，TWIP鋼的孿晶體積分數在應變過程中會達到一個相對飽和的值，從而無法為材料提供進一步的加工硬化。也就是說，如果提前引入變形孿晶來強化材料，例如通過預變形，必然會降低后續拉伸變形中產生的總孿晶體積分數，導致加工淬透性和拉伸延展性降低。因此，研究人員試圖通過利用梯度設計減少預變形過程中引入的孿生體積分數來避免強度-延展性權衡的困境。此外，大量研究報告說，通過在材料中引入這種梯度結構，可以在變形過程中引起額外的加工硬化。與傳統的預應變試樣相比，梯度材料不僅表現出相似的屈服強度，而且在抗拉強度和伸長率方面都有顯著提高。采用純剪應力的預扭轉處理可以在不改變材料表面形貌的情況下沿徑向產生深梯度結構，從而提高綜合力學性能。因此，合理的雙梯度分布設計可能會更好地協調強度和延展性之間的關系。

與馬氏體材料相比，奧氏體鋼相對較高的氫溶解度和較低的氫擴散系數使得這些材料對于儲氫應用非常有吸引力。然而，盡管奧氏體材料的屈服強度低 ，但在暴露于富氫環境時仍會發生延遲開裂，從而導致機械退化。作為 TWIP 鋼的一個突出特點，孿晶可以成為設計高氫脆鋼的突破口 (HE)。然而，它們在氫環境中的機械行為中的作用仍然存在爭議。一般來說，孿晶和晶界之間的交點是潛在的氫致裂紋 (HIC) 萌生點，這會進一步促進裂紋的形核和擴展，這是機械降低的主要原因。相比之下，孿晶界可以成為奧氏體材料中的強氫勢壘。此外，高孿晶邊界密度可以限制滑移局部化并提高 HE 電阻[26]. 因此，目前使用的設計方法旨在（i）調整 SFE（減小晶粒尺寸）以抑制孿晶的形成，從而減少裂紋成核位置；或 (ii) 引入致密孿晶邊界（通過預應變或動態塑性變形）以延遲氫擴散并減輕由于氫富集引起的應力集中。然而，在這兩種方法中，材料抗 HE 性能的提高是以犧牲大部分延展性為代價的。

強度和延展性總是對立的，也就是說，提高一個通常是以犧牲另一個為代價的。此外，強度的增加往往會降低材料的 HE 敏感性，導致材料在暴露于含氫環境時延展性下降更明顯。因此，在保證強度提高的前提下，顯著提高材料的伸長率和抗HE性能成為當務之急。考慮到奧氏體的低氫擴散系數，近表面區域對提高抗 HE 性能起著重要作用。因此，梯度微結構在這項研究中，通過預扭轉處理和隨后的熱處理的概念來調整變形孿晶分布。在表面區域（包含高孿晶體積分數或細晶粒的區域）具有優異的抗HE性能并在中心區域提供足夠的延展性的復合材料應該能夠同時滿足上述兩個要求。當前工作的主要目的是結合梯度孿晶結構的設計來緩解高錳鋼的強度-延展性權衡。在富氫環境中。本研究的主要內容包括闡明三種不同梯度孿晶結構在應變過程中的孿晶行為，并比較它們各自的HE行為之間的差異。

北京科技大學宿彥京教授團隊通過調整孿晶的分布得到了三種不同類別的材料：正梯度孿晶結構試樣、非梯度孿晶結構試樣和逆梯度類孿晶結構試樣。在陰極充氫后進行SSRT，以闡明這些不同結構對強度-延展性權衡的影響，特別是在氫氣存在的情況下，結論如下：

(1) 與大多數傳統變形工藝一樣，隨著預扭程度的增加，強度的增加是以犧牲延展性為代價的，但梯度結構設計確實是在不犧牲大量變形的情況下提高TWIP鋼強度的更好途徑延展性。

(2) 材料邊緣區域孿晶體積分數的增加可以阻礙氫的擴散，減少脆性區面積。它還可以分散氫原子并緩解應力集中，從而降低開裂的趨勢并實現高HE電阻。

(3) 與邊緣區域孿晶密度高的梯度孿晶結構相比，邊緣區域再結晶晶粒的逆梯度結構消除了大量的氫陷阱，導致在相同條件下捕獲的氫更少。氫氣預充環境。同時，它還延緩了變形孿晶的形成，從而減少了潛在的應力集中點，從而提高了抗 HE 能力。高預扭轉與部分再結晶熱處理相結合是解決高錳鋼強度-延展性權衡的一種新穎且有前景的途徑，尤其是在富氫環境中。相關研究成果以題“Alleviating the strength-ductility trade-off dilemma in high manganese steels after hydrogen charging by adjusting the gradient distribution of twins”發表在腐蝕領域頂刊Corrosion Science上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X22004978#fig0090

圖 1。(a) 高錳奧氏體鋼的熱機械加工方案；(b) 拉伸樣品的幾何形狀（以毫米為單位）；(c) PT0 試樣的 EBSD 逆極圖 (IPF) 圖和 (d) PT0 試樣平均晶粒尺寸的統計分布。

圖 2。所有研究樣本橫截面的 (af) 中心、(gl) 四分之一和 (mr) 邊緣區域的 EBSD-KPQ 圖。

圖 3。(a) XRD圖譜和(b) 4個不同扭轉度試樣(PT0, PT90, PT180, PT360)橫截面不同位置孿生體積分數的變化。

圖 4。PT360 的 TEM BF 圖像：（a，b）PT360 中心；(c, d) PT360 邊緣。

圖 5。PT0 試樣的 EBSD-KPQ 圖在 (a) ε = 10%, (b) ε = 20%, (c) ε = 30%, (d) ε = 50%, (e) ε = 60% 和 ( f) ε = 80%；(g) 雙體積分數隨 PT0 試樣應變水平的變化。

圖 6。所有研究樣品（PT0、PT90、PT180、PT360、PT0-Y、PT360-R）的硬度隨深度的分布。

圖 7。(a) 充氫和不充氫的所有研究樣品的工程應力-應變曲線（紫色數據點代表預充 30 小時，其余為 72 小時）；(b) 伸長率和 HE 敏感性，(c) 極限抗拉強度和 HE 敏感性相對于無 H 和帶 H 樣品中不同孿晶分布的變化；(d) 所有研究樣品的極限抗拉強度與伸長率；所有研究樣品（e）沒有和（f）充氫的SSRT后的XRD圖譜。

圖 8。無 H 試樣的斷口：(a) PT0、(b) PT90、(c) PT180、(d) PT360、(e) PT0-Y 和 (f) PT360-R。短黃線描繪了裂紋形態。（g，h）（a）中特定區域的更高放大倍數。

圖 9。H 帶電試樣的斷口圖：(a) PT0-H，(c) PT90-H，(e) PT180-H，(g) PT360-H，(i) PT0-YH 和 (k) PT360-RH。短黃線描繪了裂紋形態。虛線表示受氫影響的區域。（b，d，f，h，j，l）（a，c，e，g，i，k）中特定區域的高倍放大圖像。

圖 10。測量無 H 試樣的表面特征和相應的整體形態：（a）PT0，（b）PT90，（c）PT180，（d）PT360，（e）PT0-Y 和（f）PT360-R。

圖 11。測量帶氫樣品的表面特征和相應的整體形態：（a）PT0-H，（c）PT90-H，（e）PT180-H，（g）PT360-H，（i）PT0-YH和（ k) PT360-RH。（b，d，f，h，j，l）（a，c，e，g，i，k）中特定區域的更高放大倍數。所有研究樣本的 (m) 平均裂紋長度、(n) 每個裂紋的最大寬度、(o) 裂紋數密度和 (p) 裂紋面積分數的變化。

圖 12。(a 1 , b 1 , c 1 , d 1 , e 1 ) 中心、(a 2 , b 2 , c 2 , d 2 , e 2 ) 四分之一和 (a 3 , b 3 , c )的 EBSD-KPQ 圖3 , d 3 , e 3 ) PT360 試樣在應變過程中橫截面的邊緣區域。(f) 沿 PT360 試樣橫截面半徑的不同位置處，孿晶體積分數隨應變的變化。

圖 13。(a 1 , b 1 , c 1 , d 1 , e 1 ) 中心、(a 2 , b 2 , c 2 , d 2 , e 2 ) 四分之一和 (a 3 , b 3 , c )的 EBSD-KPQ 圖3 , d 3 , e 3 ) PT360-R 試樣在應變過程中橫截面的邊緣區域。(f) PT360-R 試樣橫截面不同位置處孿晶體積分數隨應變的變化。

圖 14。所有調查樣本的氫含量。

圖 15。H 帶電樣品的 HMT 圖像：(a) PT0-H，(b) PT360-RH，和 (c) PT0-YH。描繪氫原子分布的示意圖：（d）PT0-H，（e）PT360-RH，和（f）PT0-YH。

圖 16。H 帶電應變試樣的 SEM 圖像：(a) PT0-H-10%，(b) PT0-YH-10%，(c) PT360-RH-10%（黃線代表變形孿晶），(d) 描述孿晶和晶界交叉處裂紋萌生的示意圖。

圖 17。在 SSRT 期間測量 H 帶電預應變試樣的表面特征和相應的整體形態（在名稱中表示為第三個 % 值）：（a）PT0-H-10%，（b）PT0-H-20%， (c) PT360-H-10%，(d) PT360-H-20%，(e) PT0-YH-10%，(f) PT360-RH-10% 和 (g) PT360-RH-30%。(h) 充氫試樣中裂紋面積分數隨不同工程水平的變化。(i) 描述裂紋沿晶界擴展的示意圖。