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马普所《Nature Materials》:妙!这样竟然可以提升高强钢的抗氢脆性

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金属材料的强度和抗氢脆之间的矛盾,是设计在含氢环境中工作的轻质可靠结构组件的内在障碍。因此,必须要找到经济可扩展的微观结构解决方案来应对这一挑战。

在此,来自德国马普所的Binhan Sun & Dierk Raabe等研究者,引入了一种违反直觉的策略:设计和利用材料微结构的化学不均匀性,而不是避免它,从而实现阻止氢诱发的微裂纹并抑制其扩展。相关论文以题为“Chemical heterogeneity enhances hydrogen resistance in high-strength steels”发表在Nature Materials上。

论文链接:

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

当宇宙中最轻、最小和最丰富的原子氢(H)进入高强度合金(强度超过650 MPa)时,材料的承载能力突然丧失,这种现象被称为氢脆,它是造成大型工程结构在服务中灾难性和不可预测的失效的重要原因。钢占全球金属合金市场的90%,这意味着即使钢的性能稍有改善,也会对全球产生影响。然而,高强度钢特别容易发生氢脆性,因为低于百万分之一的重量(ppmw) H,往往足以导致其力学性能的急剧下降。这种对氢脆的极度敏感,加上在钢铁生产和/或使用过程中往往不可避免的氢进入,使得这些材料在使用时令人担忧。

溶质H引起的灾难性破坏,通常是由加速的损伤演化过程引起的,包括:(1)通常只有百万分之几的H进入,然后它在微观结构内扩散,与各种晶格缺陷(如空位、位错和界面)相互作用;(2)H缺陷相互作用加速损伤成核和扩展;(3)在裂纹尖端应力场的作用下,裂纹尖端周围通过扩散积累了更多的H,从而进一步促进了裂纹的开裂。

目前的工程解决方案,通常包括应用保护涂层来防止H的进入,而这可能会在磨料和腐蚀环境下失效。另一种选择是设计具有内在弹性的微观组织(例如,通过晶粒细化或引入氢陷阱析出相),但这些措施会降低无H条件下的应变硬化能力和/或延性。微合金化在钢中形成各种H捕获析出相(例如,Ti基和V基碳化物)可以抑制内部H迁移,尽管它增加了材料成本。然而,当所有H捕集器都被填充到饱和状态时,这种方法就失去了有效性。由于这些析出相的体积分数通常很低(低于1%),即有限的H存储体积,这种情况很容易发生。

在此,研究者提出了一种基于利用钢组织成分中溶质不均匀性策略的解决方案,以此来应对以上挑战。精心设计的局部成分变化有助于增强局部抗裂能力,从而形成缓冲带,阻止H诱发的微裂纹,否则这些微裂纹将迅速在内部或沿H侵蚀相或界面传播(图1a)。研究者在轻质高强度中锰(Mn)钢(0.2C-10Mn-3Al-1Si重量百分比)上,演示了他们的方法。在相图和热化学计算机耦合(CALPHAD)的帮助下,奥氏体相内部Mn不均一性的良好调整设计,产生了大量富锰缓冲区分散在整个样品中的。在合金变形过程中,由于局部较高的Mn含量增加了力学稳定性,缓冲区内从软奥氏体向硬马氏体的动态转变受到局部抑制。因此,微观结构演变为嵌入在硬基体中的高度弥散软岛,这经常导致氢致微裂纹被钝化。化学不均匀性是通过不完全Mn分配/均质化的热处理来实现的。整个过程可以完全由CALPHAD方法指导,并易于扩展到已有的、成本合理的工业加工路线。与此同时,该方法也可推广到其他高强钢中,提高其组织抗H脆性的能力。

图1 化学非均质性诱导止裂的概念作为H脆性的措施和在奥氏体内部设计有不均匀的Mn分布的高强度钢的微观结构。

图2 通过设计化学不均匀性提高耐H脆性。

图3 无氢条件下HET试样的微观组织演变。

图4 化学非均质性对H诱导裂纹的阻止。

综上所述,研究者将化学不均匀性(通常由于其对材料传统的损伤耐受性的有害影响而不受欢迎),转变成一种增强其固有抗氢脆性的机制。为了避免非均质性,合金通常要经受昂贵的高温和漫长的均质处理,这对环境造成了很大的负面影响。该方法是反直觉的:设计和利用化学不均匀性,而不是避免它,以阻止H诱发的微裂纹并抑制其扩展。潜在的热力学原理,用于发展具有特定程度的化学不均匀性的微观组织,在于相变和溶质扩散之间的高动力学失配,这种效应一般适用于合金钢(和一些钛合金)。

因此,使用本文介绍的抗裂增强机制,可以应用到大量含有亚稳奥氏体的高性能钢中,针对不同的应用领域(例如,各种TRIP-辅助的高级高强度钢、亚稳不锈钢和马氏体TRIP钢)。此外,利用化学异质性的策略有望为其他先进的金属加工技术,如粉末冶金和增材制造提供重要的见解,这些技术可能存在多种选择来操纵溶质分布。在这种情况下,溶质不均匀性引起的独特复合效应,即局部化学波动提供的高抗裂性和其他显微组织成分产生的高力学性能的结合,也可以扩展到其他H阻碍存在成分依赖性的合金中。(文:水生)

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