{首页主词},&

重磅《Nature》子刊：反常理設計！大幅提高高強度鋼的抗氫脆性！

2021-07-12 13:56:14 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：金屬材料的強度和抗氫脆之間的不協同性是設計在含氫環境中工作的輕質可靠的結構組件的內在障礙。本文引入了一種違反直覺的策略，利用材料微觀結構中典型的非期望的化學不均勻性，從而實現局部增強抗裂性和局部氫捕獲。在含錳的高強度鋼中使用這種方法，在組織中產生高分散的富錳區。這些富含溶質的緩沖區域允許局部微調整相穩定性，阻止氫引起的微裂紋，從而中斷氫輔助損傷的滲透。這導致了優越的氫脆抵抗而不犧牲材料的強度和延展性。，不是避免而是開發化學非均質性的策略拓寬了通過先進的熱機械加工微觀結構工程的視野。

當宇宙中最輕、最小、最豐富的原子氫（H）進入一種高強度合金（強度超過650 MPa）時，這種材料的承載能力就會突然喪失。這種被稱為氫脆性的現象是造成大型工程結構在役中災難性和不可預測的失效的原因。鋼占全球金屬合金市場的90%，這意味著即使鋼的性能稍有改善，也會對全球產生影響。然而，高強度鋼特別容易引發氫脆性，因為低于百萬分之一重量（ppmw）的氫就足以導致其力學性能的急劇下降。這種對氫脆的極度敏感的現象，加上在鋼鐵生產使用過程中往往不可避免的氫進入，引發了人們對這些材料在當前無碳氫推進工業和減少排放運輸解決方案中使用的特別關注。

溶質氫引起的災難性破壞通常是由加速損傷演化過程引起的（1）通常只有百萬分之幾氫的進入，然后在微觀結構內擴散，與各種晶格缺陷（如空位、位錯和界面）相互作用；（2）氫缺陷相互作用加速損傷成核和擴展；（3）在裂紋尖端應力場的作用下，裂紋尖端周圍通過擴散積累了更多的氫，從而進一步促進了裂紋的開裂。目前的工程解決方案通常包括通過應用保護涂層來防止氫的進入，然而保護涂層可能會在研磨和腐蝕環境下失效。另一種選擇是設計具有內在彈性的微觀組織（例如，通過晶粒細化或引入氫缺陷析出相），但這些措施會降低無氫條件下的應變硬化能力和塑性。微合金化在鋼中形成各種氫捕獲沉淀（例如，Ti基和V基碳化物）可以抑制內部氫遷移，盡管這會增加了材料的成本。然而，當所有氫捕集器都被填充到飽和狀態時，這種方法就失去了有效性。由于這些沉淀的體積分數通常很低（低于1%），即有限的氫存儲體積，這種情況很容易發生。因此，開發廉價且可擴展的微結構解決方案，使其既具有本質上的高抗氫性，又具有高機械性能，仍然是一個基本的挑戰。

在此，德國馬普所的Binhan Sun聯合中國南方科技大學的Wenjun Lu等提出了一種基于利用鋼組織成分中溶質不均勻性的策略的解決方案。精心設計的局部成分變化有助于局部增強抗裂性，從而形成緩沖區，阻止氫誘導的微裂紋，否則這些微裂紋將在氫侵蝕相或界面內部或沿氫侵蝕相或界面快速擴展。相關研究成果以題“Chemical heterogeneity enhances hydrogen resistance in high-strength steels”發表在科學雜志頂刊Nature Materials上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01050-y

我們在輕質高強度中錳（Mn）鋼（0.2C-10Mn-3Al-1Si重量百分比）上演示了我們的方法。在相圖和熱化學的計算機耦合（CALPHAD）的幫助下，奧氏體相內Mn 異質性的精心調整設計產生了分散在整個樣品中的高數量密度的微觀限制的富錳緩沖區。在合金變形過程中，從軟奧氏體到硬馬氏體的動態轉變在這些緩沖區內被局部抑制，這是由于與局部較高的Mn含量相關的機械穩定性增加。結果，微觀結構演變成嵌入硬基體中的軟島的高度分散，這經常使氫誘導的微裂紋變鈍和停滯。化學不均勻性是通過不完全Mn分配/均質化的熱處理來實現的。加工過程可以完全由 CALPHAD 方法指導，并且可以很容易地擴展到既定且價格合理的工業加工路線。此外，它可以推廣到具有相同目標的其他類型的高強度鋼，即賦予其微觀結構增強的抗氫脆化能力。

圖1 化學非均質性誘導止裂的概念，作為一種抑制氫脆性的措施，以及設計為奧氏體內非均質Mn分布的高強度鋼的微觀組織。a, 概念示意圖，顯示了氫誘導裂紋擴展穿過設計的富溶質緩沖區，溶質濃度分布圖和相應的抗裂性示意圖顯示在右側。b, 電子背散射衍射圖（EBSD）加圖像質量圖（IQ）顯示了奧氏體-鐵素體雙相組織。c, 基于掃描電子顯微鏡（SEM）的能量色散 X 射線光譜（EDX）圖揭示了微觀結構中的Mn的整體分布模式。化學緩沖區是指在奧氏體相內錳高度富集（~14–16 at.% Mn）的區域（其中一些由橢圓框標記）。d, 高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）觀察和EDX分析，顯示在一個奧氏體晶簇甚至一個奧氏體晶粒內存在多個富錳區。分別從標記的圓形和矩形框架拍攝的選定區域電子衍射和高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像放置在 STEM 圖像的右側。EDX 線剖面取自EDX圖中白色箭頭標記的區域。

圖2 通過設計化學不均勻提高抗氫脆性。a, 與 HOM 參考材料相比，HET樣品的慢應變速率拉伸性能。兩個樣品都經受相同的 H 預備條件（相似的 H 量）。此處顯示了總氫濃度為~6.5 ppmw的樣品的代表性拉伸曲線。插圖顯示了作為總氫濃度函數的兩個樣品的延展性。還包括對具有相似強度水平（即屈服強度在~600 MPa以上，抗拉強度在~1,000 MPa）的商用高強度鋼（TRIP 9808、QP 9809和DP7鋼）進行測試的文獻數據，表明汽車應用中所需的抗氫脆性。誤差棒代表重復測試的標準偏差。b，我們的方法與文獻中報道的其他 H 電阻增強方法之間的比較，就它們在 H 存在下對拉伸延展性改善的影響而言（ID = [（εf-H，after – εf-H ,before）/εf-H,before] × 100%，其中 εf-H,before和 εf-H,after分別是采用增阻方法前后含氫試樣的總伸長率或斷裂應變）。我們對氫預備試樣（紅色虛線框中的實心紅星符號）和變形期間連續電化學充電的試樣（空心星符號）進行了測試。文獻數據來自不同材料，包括低合金鐵素體/馬氏體鋼、管線鋼、各種先進高強度鋼、馬氏體時效鋼、各種奧氏體不銹鋼和高熵合金，經過電化學或氣態氫氣預充或原位氫準備。

圖3 HET樣品在無氫條件下的微觀結構演變。a，示意圖說明了受變形的拉伸試件和EBSD原位探測，紅色的點表示EBSD圖像的拍攝位置。非原位電子背散射衍射觀察到局部拉伸應變（εloc）為40%時，顯示部分奧氏體-馬氏體相變。b, STEM和EDX分析大致從a中標記的矩形框架的次表面生成。HAADF-STEM圖像中的插圖是從黃色矩形框中獲取的透射Kikuchi衍射相位加IQ圖。EDX線剖面圖取自EDX圖中箭頭標記的區域。紅外透射電鏡圖顯示了孿晶結構的選定區域電子衍射（SAED）， fcc基體和fcc孿晶的衍射點由兩個不同顏色的四邊形標記。

圖4 化學非均質性對氫裂紋的阻止。a，裂紋止裂機理示意圖。穩定的γMn-rich材料能夠抵抗變形誘導的相變，由于其塑性的增強和H擴散系數的降低，使其能夠鈍化和阻止氫誘導的微裂紋的侵入。b，化學非均質性處理的充氫斷裂鋼（總氫量為6.3 ppmw）中具有代表性的鈍化氫誘發裂紋。在接近斷口和試樣側邊氫接近飽和的區域，利用二次電子（SE）成像探測裂紋。圖中是APT尖端的透射Kikuchi衍射（TKD）相位圖，它位于尖端被提出來的位置。紅色虛線表示鐵素體（α）與奧氏體/馬氏體（γ/α？）的界面。白色箭頭表示裂紋擴展方向。c，針尖的APT結果如圖b所示，包含Mn的等成分表面圖、二維（2D） Mn濃度圖和一維（1D） Mn在α‘和γ上的分布（誤差條代表標準差）。顏色（粉色、黃色、藍色）表示不同的錳含量……

綜上所述，我們將化學不均勻性（通常由于其對材料常規損傷容限的有害影響而不受歡迎）轉變為一種增強對氫脆的固有抵抗力的機制。為了避免非均質性，合金通常要經受昂貴的高溫處理和漫長的均質處理，這對環境造成了很大的負面影響。我們的方法是反直覺的：我們設計和利用化學不均一性，而不是避免它，以阻止氫誘發的微裂紋并抑制其擴展。用于開發具有特定程度化學不均勻性的微觀結構的基本熱力學原理在于相變和溶質擴散之間的高動力學失配，這種效應通常適用于合金鋼（和一些鈦合金）。因此，我們的方法可以轉移到大量含有亞穩奧氏體的高性能鋼中，針對不同的應用領域（例如各種Trip輔助的高級高強度鋼、亞穩不銹鋼和馬氏體Trip鋼）使用本文中介紹的抗裂增強機制。此外，我們利用化學異質性的策略有望為其他先進金屬加工技術提供重要見解，如粉末冶金和增材制造，其中可能存在多種選擇來操縱溶質分布或設計。

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。