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金屬頂刊《Acta Materialia》：揭示先進高強度鋼的氫脆機理！

2022-01-05 16:24:50 作者：電鏡網來源：電鏡網分享至：

導讀：氫脆在先進的高強度鋼（AHHS）中變得越來越重要，因為強度水平提高到遠高于1000兆帕。這項工作對基于鐵-鈦-鉬和鐵-釩-鉬的模型AHHS鋼的脆化機理有了詳細的了解，這兩種鋼都是通過界面沉淀強化的。充氫導致位錯密度增加，沉淀物周圍的應變場擴大，導致殘余應力增加。本文詳細研究了氫對慢應變速率拉伸試驗和雙缺口拉伸試樣的影響，發現充氫會導致其強度和延展性損失。

AHSS具有幾種不同的微觀結構，包括鐵素體/馬氏體雙相鋼、相變誘發塑性鋼、復相鋼和馬氏體鋼。目前動力定位鋼是最有吸引力的安全省油汽車AHSS鋼。隨著鋼的強度增加，氫脆敏感性（he）增加，現在He是AHSS設計中的一個重要考慮因素。

氫脆的對比理論范圍從導致失效的增強位錯遷移率到抑制裂紋尖端的位錯發射。另外還有一些關于雙相鋼（盡管不是沉淀硬化雙相鋼）中氦的研究。然而，還沒有關于沉淀強化雙相鋼中的氦的研究，沉淀強化雙相鋼當然可以作為有效的氫陷阱以及改變位錯動力學。此外，當前鋼中馬氏體的體積分數遠低于常規雙相鋼。

基于此，謝菲爾德大學材料科學與工程系的羅伯特著重詳細分析了氫致開裂機理，考察了馬氏體體積分數、不同類型和體積分數的析出物以及不同位錯密度對裂紋產生和擴展的影響。相關研究結果以題為“Hydrogen embrittlement mechanisms in advanced high strength steel”發表在Acta Materialia。

論文鏈接：

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

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

熱解吸光譜顯示兩種鋼有兩個明顯的峰，低溫峰與晶界、相界、位錯和共格沉淀處的俘獲有關，高溫峰與半共格沉淀處的俘獲有關。充氫導致鈦鉬鋼嚴重脆化，在拉伸試驗中出現屈服失效。帶電拉伸樣品中的裂紋起始似乎是由與應變分配相關的位錯胞邊界處的空洞引起的，符合HELP型機制。

圖1 鈦鉬鋼和釩鉬鋼的熱機械循環示意圖

圖2 充氫和機械試驗中拉伸樣品幾何形狀（長度單位為毫米）：（a）無缺口；（b）有兩個缺口

圖3 （a，b）取自（a）鈦鉬鋼在630℃等溫處理90分鐘的樣品的光學顯微照片；釩鉬鋼；（c，d）亮場透射電鏡顯微照片，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）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）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 透射電鏡明場顯微照片顯示不帶電和帶電的微觀結構，沒有應變應用，（a，c）在鈦鉬鋼和（b，d）在釩鉬鋼。（a，b）來自不帶電大塊樣品的低密度隨機分布位錯；（c，d）帶電體樣品的位錯密度顯著增加

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

圖9 來自不帶電（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）相同區域的相關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）工程拉伸應力-應變曲線和（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試失敗。充電后（5分鐘內）立即進行慢應變率拉伸（SSRT）試驗

圖11 鈦鉬鋼在不充氫和充氫時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，從中制備纖維增強復合材料樣品；（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密度區域和相鄰低位錯密度區域之間的邊界。（e）V-Mo鋼中起始位置的STEM圖像，顯示高位錯密度區域和相鄰低位錯密度區域之間的尖銳邊界；（f） STEM圖像顯示起爆點有裂紋

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解理斷裂表面；（b）纖維截面的STEM圖像，顯示裂紋擴展；（c）斷口附近的STEM圖像，顯示了位錯被沉淀物釘扎的位錯結構。（e）準解理裂紋擴展區域的纖維截面的STEM圖像，放大倍數在（f）中更高，兩者都顯示在SEM圖像（d）中看到的脊與較大V的行相關聯四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）裂紋尖端一側的STEM HAADF高倍放大圖像，顯示裂紋周圍的位錯結構；裂紋尖端的定向圖像；沿著（c）中畫出的線的取向錯誤

圖16 鈦鉬鋼帶電拉伸斷裂中的二次裂紋擴展：（a）取自二次裂紋的HRTEM圖像和（b）來自（a）的快速傅立葉變換濾波圖像，顯示裂紋沿（100）和（110）擴展；（c）來自（a）的示意圖；（d）顯示裂紋尾流的HRTEM圖像，顯示裂紋的原子級擴展。沉淀物標記在表面以下。生長的裂紋避免了沉淀；（e）來自（d）中標記的區域的FFT濾波圖像，顯示裂紋局部的沉淀物；（f）來自（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亮場圖像；（c）和（d）鐵氧體三結的STEM明場和暗場圖像，顯示大量空隙

圖18 不帶電釩鉬鋼的EBSD圖：（a-c）取自缺口區（a） KAM圖；（b） IPF地圖和（c）公元前地圖；以及（d-f）取自遠離缺口區域（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展：（a-c）取自缺口區，（a） KAM圖；IPF地圖；公元前地圖；（d-f）顯示遠離缺口的二次開裂，在（d） KAM地圖上標記有（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展：（a-c）取自缺口區域，（a） KAM圖，顯示缺口根部，主裂紋平行于拉伸軸擴展成馬氏體島；IPF地圖；公元前地圖；（d-f）顯示了遠離垂直于拉伸軸傳播的缺口的二次開裂，并在（d） KAM地圖、（e） IPF地圖、（f） BC地圖上標記了（110）痕跡