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金屬頂刊《Acta Materialia》：揭示先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的氫脆機(jī)理！

2021-12-01 17:31:31 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：氫脆在先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼（AHHS）中變得越來(lái)越重要，因?yàn)閺?qiáng)度水平提高到遠(yuǎn)高于1000兆帕。這項(xiàng)工作對(duì)基于鐵-鈦-鉬和鐵-釩-鉬的模型AHHS鋼的脆化機(jī)理有了詳細(xì)的了解，這兩種鋼都是通過(guò)界面沉淀強(qiáng)化的。充氫導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，沉淀物周圍的應(yīng)變場(chǎng)擴(kuò)大，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加。本文詳細(xì)研究了氫對(duì)慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)和雙缺口拉伸試樣的影響，發(fā)現(xiàn)充氫會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度和延展性損失。

AHSS具有幾種不同的微觀結(jié)構(gòu)，包括鐵素體/馬氏體雙相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼、復(fù)相鋼和馬氏體鋼。目前動(dòng)力定位鋼是最有吸引力的安全省油汽車AHSS鋼。隨著鋼的強(qiáng)度增加，氫脆敏感性（he）增加，現(xiàn)在He是AHSS設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素。

氫脆的對(duì)比理論范圍從導(dǎo)致失效的增強(qiáng)位錯(cuò)遷移率到抑制裂紋尖端的位錯(cuò)發(fā)射。另外還有一些關(guān)于雙相鋼（盡管不是沉淀硬化雙相鋼）中氦的研究。然而，還沒(méi)有關(guān)于沉淀強(qiáng)化雙相鋼中的氦的研究，沉淀強(qiáng)化雙相鋼當(dāng)然可以作為有效的氫陷阱以及改變位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)。此外，當(dāng)前鋼中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于常規(guī)雙相鋼。

基于此，謝菲爾德大學(xué)材料科學(xué)與工程系的羅伯特著重詳細(xì)分析了氫致開(kāi)裂機(jī)理，考察了馬氏體體積分?jǐn)?shù)、不同類型和體積分?jǐn)?shù)的析出物以及不同位錯(cuò)密度對(duì)裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的影響。相關(guān)研究結(jié)果以題為“Hydrogen embrittlement mechanisms in advanced high strength steel”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421008661

實(shí)驗(yàn)室鑄造的鐵-鈦-鉬（鈦-鉬）、鐵-釩-鉬（釩-鉬）鋼的化學(xué)成分列于表1。首先進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生相間沉淀碳化物，水淬至室溫。接著，為了測(cè)量充氫樣品中可擴(kuò)散氫的濃度，使用氣相色譜系統(tǒng)（安捷倫科技7890A）和管式爐在氦氣體氣氛中進(jìn)行熱解吸光譜分析。最后進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)研究。

熱解吸光譜顯示兩種鋼有兩個(gè)明顯的峰，低溫峰與晶界、相界、位錯(cuò)和共格沉淀處的俘獲有關(guān)，高溫峰與半共格沉淀處的俘獲有關(guān)。充氫導(dǎo)致鈦鉬鋼嚴(yán)重脆化，在拉伸試驗(yàn)中出現(xiàn)屈服失效。帶電拉伸樣品中的裂紋起始似乎是由與應(yīng)變分配相關(guān)的位錯(cuò)胞邊界處的空洞引起的，符合HELP型機(jī)制。

圖1 鈦鉬鋼和釩鉬鋼的熱機(jī)械循環(huán)示意圖

圖2 充氫和機(jī)械試驗(yàn)中拉伸樣品幾何形狀（長(zhǎng)度單位為毫米）：（a）無(wú)缺口；（b）有兩個(gè)缺口

圖3 （a，b）取自（a）鈦鉬鋼在630℃等溫處理90分鐘的樣品的光學(xué)顯微照片；釩鉬鋼；（c，d）亮場(chǎng)透射電鏡顯微照片，顯示（c）鈦鉬鋼中薄箔樣品的相間沉淀；釩鉬鋼；[001]α顯示（鈦、鉬）碳（更精細(xì)）和（鈦、鉬）存在的衍射圖和示意圖2c（較粗）；[001]α顯示（釩、鉬）碳（更精細(xì)）和（釩、鉬）存在的衍射圖和示意圖四C3（比較粗糙）

圖4 兩種鋼的沉淀物尺寸分布

圖5 鈦鉬鋼和釩鉬鋼在100 Ch加熱速率下充氫后的熱解吸分析光譜？1

圖6 （1）鈦鉬鋼和（2）釩鉬鋼的低溫TDA峰的反卷積

圖7 透射電鏡明場(chǎng)顯微照片顯示不帶電和帶電的微觀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有應(yīng)變應(yīng)用，（a，c）在鈦鉬鋼和（b，d）在釩鉬鋼。（a，b）來(lái)自不帶電大塊樣品的低密度隨機(jī)分布位錯(cuò)；（c，d）帶電體樣品的位錯(cuò)密度顯著增加

圖8 在雙束條件下形成的亮場(chǎng)透射電鏡圖像（g=（010））顯示了鈦鉬鋼中沉淀物周圍的應(yīng)變場(chǎng)。a）不帶電狀態(tài)，觀察到來(lái)自相干沉淀物的經(jīng)典波瓣對(duì)比。b）帶電狀態(tài)，應(yīng)變場(chǎng)的衍射對(duì)比度明顯增加，經(jīng)典波瓣對(duì)比度丟失

圖9 來(lái)自不帶電（a，b，c）和帶電（d，e，f）鈦鉬鋼的相干碳化物的HRTEM圖像。（a）碳化物的HRTEM和（b）與（a）相同區(qū)域的相關(guān)FTT濾波圖像；（c）碳化物和鐵素體基體界面上的FTT濾波圖像；（d）帶電樣品中碳化物的HRTEM；（e）碳化物的FTT濾波圖像；（f）碳化物和鐵素體基體界面上的FTT濾波圖像

圖10 （a，b）工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和（c，d）鈦-鉬鋼（a）和（c）鈦-鉬鋼（b）和（d）釩-鉬鋼的加工硬化率曲線，不帶電和帶電拉伸樣品在室溫下測(cè)試失敗。充電后（5分鐘內(nèi)）立即進(jìn)行慢應(yīng)變率拉伸（SSRT）試驗(yàn)

圖11 鈦鉬鋼在不充氫和充氫時(shí)斷口的掃描電鏡圖像；釩鉬鋼。（a，b）不帶電荷的氫和（c，d）帶電荷的氫

圖12 （a-c）鈦鉬鋼和（d-f）釩鉬鋼帶電試樣拉伸解理斷口的顯微組織。（a，d）掃描電鏡，顯示具有裂紋起始位置的解理斷裂表面，從中制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樣品；（b）鈦鉬鋼中裂紋起始位置的STEM圖像，其中（c）裂紋起始位置的放大圖像顯示了高位錯(cuò)密度區(qū)域和相鄰低位錯(cuò)密度區(qū)域之間的邊界。（e）V-Mo鋼中起始位置的STEM圖像，顯示高位錯(cuò)密度區(qū)域和相鄰低位錯(cuò)密度區(qū)域之間的尖銳邊界；（f） STEM圖像顯示起爆點(diǎn)有裂紋

圖13 （a-c）鈦鉬鋼和（d-f）釩鉬鋼帶電試樣拉伸解理斷口的顯微組織。（a，d）掃描電鏡，顯示制備纖維樣品的準(zhǔn)解理斷裂表面；（b）纖維截面的STEM圖像，顯示裂紋擴(kuò)展；（c）斷口附近的STEM圖像，顯示了位錯(cuò)被沉淀物釘扎的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。（e）準(zhǔn)解理裂紋擴(kuò)展區(qū)域的纖維截面的STEM圖像，放大倍數(shù)在（f）中更高，兩者都顯示在SEM圖像（d）中看到的脊與較大V的行相關(guān)聯(lián)四C3沉淀物

圖14 鈦鉬鋼拉伸試樣斷裂面解理面下方FIB試樣的HRTEM顯微照片，顯示傾斜邊界

圖15 從FIB充氫后鈦鉬鋼中二次裂紋的顯微照片在拉伸斷裂上剝離TEM樣品，顯示：（a）顯示二次裂紋位置的STEM HAADF低倍放大圖像；（b）裂紋尖端一側(cè)的STEM HAADF高倍放大圖像，顯示裂紋周圍的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)；裂紋尖端的定向圖像；沿著（c）中畫(huà)出的線的取向錯(cuò)誤

圖16 鈦鉬鋼帶電拉伸斷裂中的二次裂紋擴(kuò)展：（a）取自二次裂紋的HRTEM圖像和（b）來(lái)自（a）的快速傅立葉變換濾波圖像，顯示裂紋沿（100）和（110）擴(kuò)展；（c）來(lái)自（a）的示意圖；（d）顯示裂紋尾流的HRTEM圖像，顯示裂紋的原子級(jí)擴(kuò)展。沉淀物標(biāo)記在表面以下。生長(zhǎng)的裂紋避免了沉淀；（e）來(lái)自（d）中標(biāo)記的區(qū)域的FFT濾波圖像，顯示裂紋局部的沉淀物；（f）來(lái)自（d）的示意圖

圖17 從纖維充氫后，釩鉬鋼中孔隙的顯微照片從存在馬氏體的區(qū)域的拉伸斷裂表面剝離出TEM樣品，顯示：（a）沿鐵素體/馬氏體相邊界的孔隙；（b）沿著（a）中所示的馬氏體板條邊界的空隙的TEM亮場(chǎng)圖像；（c）和（d）鐵氧體三結(jié)的STEM明場(chǎng)和暗場(chǎng)圖像，顯示大量空隙

圖18 不帶電釩鉬鋼的EBSD圖：（a-c）取自缺口區(qū)（a） KAM圖；（b） IPF地圖和（c）公元前地圖；以及（d-f）取自遠(yuǎn)離缺口區(qū)域（d）的KAM地圖；（e） IPF地圖和（f）公元前地圖

圖19 EBSD圖顯示，裂紋沿（100）面在帶電鈦鉬鋼的鐵素體晶粒中擴(kuò)展：（a-c）取自缺口區(qū)，（a） KAM圖；IPF地圖；公元前地圖；（d-f）顯示遠(yuǎn)離缺口的二次開(kāi)裂，在（d） KAM地圖上標(biāo)記有（100）痕跡；IPF地圖；（f）公元前地圖

圖20 帶電釩鉬鋼的EBSD圖，顯示沿鐵素體/馬氏體邊界的裂紋擴(kuò)展：（a-c）取自缺口區(qū)域，（a） KAM圖，顯示缺口根部，主裂紋平行于拉伸軸擴(kuò)展成馬氏體島；IPF地圖；公元前地圖；（d-f）顯示了遠(yuǎn)離垂直于拉伸軸傳播的缺口的二次開(kāi)裂，并在（d） KAM地圖、（e） IPF地圖、（f） BC地圖上標(biāo)記了（110）痕跡