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  2. 文獻學習 | 鈮對多相不銹鋼氫致開裂行為的影響:相分數、堆垛層錯能及納米NbC析出
    2025-04-08 16:21:37 作者:考拉腐蝕 來源:考拉腐蝕 分享至:

     

    【期刊】Materials Science & Engineering A
    【題目】Influence of Nb on the hydrogen-assisted cracking behaviour in mutiphase stainless steel: Phase fractions, stacking fault energies, and nanosized NbC precipitation.
    【摘要】鈮(Nb)合金化被認為會降低多相鋼的氫脆抗力,這與單相金屬材料中Nb的積極作用相矛盾。本研究闡明了Nb合金化對一種新型多相不銹鋼氫脆行為的影響機制。結果表明,添加Nb可使氫脆敏感性降低17%。研究發現,含Nb鋼中較高的奧氏體比例阻礙了氫的滲入。此類含Nb鋼中的奧氏體相具有更高的堆垛層錯能,從而延遲了馬氏體相變和裂紋萌生?;w中納米級NbC的析出阻礙了氫擴散,間接抑制了裂紋的萌生與擴展。
    【背景梳理】
    (1)氫脆問題的重要性!
    多相不銹鋼(MPSS)因優異的機械性能(如相協同變形和TRIP效應)在工業中備受關注,但其對氫脆(HE)高度敏感,尤其是氫在新生馬氏體相界的富集會引發裂紋萌生;
    (2)Nb在多相鋼中與單相材料相反的作用規律(爭議作用)!

    • 在單相材料中,Nb通過納米NbC析出作為氫陷阱,提升氫脆抗性;
    • 但在多相材料(如Q&P鋼)中,Nb的加入反而加劇氫脆敏感性,機制尚不明確。

    (3)研究需求!
    需系統探究Nb在多相不銹鋼中的作用機制,包括相分數、堆垛層錯能(SFE)、NbC析出與氫擴散的關系。
    【術語解釋】

    • Hydrogen assisted cracking, 氫致開裂;
    • Multiphase stainless steel(MPSS), 多相不銹鋼 (注:奧氏體、馬氏體、鐵素體的協同作用機制);
    • Phase fractions,相分數;
    • Stacking fault energies(SFE), 堆垛層錯能;
    • Nanosized NbC precipitation, 納米NbC系數(注:Nb的作用 - 通過調控相分數、提高奧氏體堆垛層錯能(抑制馬氏體相變)、誘導納米NbC析出(作為氫陷阱),降低多相不銹鋼的氫脆敏感性。);

    【研究貢獻提煉】
    (1)矛盾性發現
    揭示Nb在多相鋼中與單相材料相反的作用規律。
    (2)三重作用機制
    ①相分數調控(高奧氏體比例阻氫);
    ②SFE提升(抑制馬氏體箱變);
    ③納米NBC析出(阻礙氫擴散與裂紋擴展);
    (3)量化指標
    氫脆敏感性降低17%,為工程應用提供直接數據支撐。

    【研究思路】

    (1)材料制備與處理
    設計含Nb鋼(額外補碳以平衡NbC形成)和不含Nb鋼,通過熱軋和固溶處理(不同保溫時間:T2.5-T40)調控微觀結構。

    (2)微觀結構表征

    • EBSD/XRD/TEM:分析相分數(奧氏體、馬氏體、鐵素體)、晶粒尺寸及NbC析出(形貌、尺寸、界面結構)。
    • 堆垛層錯能計算:通過HR-TEM測量奧氏體中的層錯寬度,評估SFE對馬氏體相變的影響。

    (3)力學與氫脆測試

    • 慢應變速率拉伸(SSRT):在充氫條件下測試,計算延伸率損失(Iδ)評價氫脆敏感性。

    • 斷口分析(SEM/EBSD):觀察裂紋路徑(穿晶/沿晶)與斷裂模式(解理、準解理等)。

    (4)氫陷阱分析
    熱脫附光譜(TDS):量化氫含量并識別陷阱類型(如NbC界面、位錯、相界),測量氫脫附行為,通過不同升溫速率(100/150/300℃/h)計算陷阱激活能。

     

    【研究結果】
    (1)Nb降低氫脆敏感性
    含Nb鋼的氫脆敏感性(Iδ)比不含Nb鋼降低4%-17%,主要歸因于:
    • 高奧氏體分數:阻礙氫滲透(TDS顯示含Nb鋼總氫含量更低)。
    • 高堆垛層錯能(SFE):延遲奧氏體向馬氏體轉變,抑制裂紋萌生(HR-TEM顯示含Nb鋼SFE更高)。
    (2)納米NbC析出的雙重作用

    • 氫陷阱效應:半共格界面的NbC吸附氫,減少可擴散氫含量(TDS顯示NbC對應脫附峰活化能為53.09 kJ/mol)。
    • 阻礙氫擴散:NbC在奧氏體/馬氏體相界及基體中的析出抑制氫局部富集(TEM顯示NbC在bcc/fcc相中異步析出)。

    (3)相分數與SFE的動態關系
    延長固溶處理時間導致奧氏體SFE下降,部分奧氏體轉變為馬氏體,但含Nb鋼仍保持更高奧氏體穩定性。
    (4)裂紋擴展路徑差異
    含Nb鋼的裂紋路徑中觀察到穩定奧氏體區域(EBSD),而不含Nb鋼的裂紋沿馬氏體相界快速擴展。
    【結論】

    鈮通過以下機制提升多相不銹鋼氫脆抗性:

    • 增加奧氏體分數并提高其堆垛層錯能,延緩馬氏體相變;

    • 納米NbC作為強氫陷阱,減少可擴散氫含量;

    • 異步析出的NbC在bcc/fcc相中協同抑制氫擴散。

    該研究為多相材料中合金元素設計提供了理論依據,解決了Nb在單相與多相材料中作用的矛盾。

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