马氏体高强钢广泛应用于航空航天领域的重载承力部件的制造，其性能稳定性关乎航空航天设备的服役安全。伴随着强度级别的提升，尤其是当抗拉强度超过1.0 GPa时，马氏体高强钢对于氢致脆性断裂将更为敏感，易于诱发灾难性事故。研究表明稳定的奥氏体相可作为良性氢陷阱，有效捕获马氏体高强钢中的可扩散氢，从而提升钢的氢脆抗力。现有针对高强度马氏体沉淀硬化不锈钢氢脆行为的研究主要集中于微观组织演变对于氢陷阱状态及氢扩散行为的影响，而微观组织演变同马氏体沉淀硬化不锈钢氢脆抗力的联系尚未建立。
近期，钢铁研究总院特钢所刘振宝教授团队与重庆大学相关研究人员通过调控热处理工艺（主要为时效处理工艺）成功提高了一种1.8 GPa级马氏体沉淀硬化不锈钢(0.001C-11.2Cr-11.3Ni-1.0Mo-1.6Tiwt.%)的氢脆抗力，使不同热处理状态试验钢充氢后的相对塑性损失降低约4-60倍不等。该研究通过对不同热处理态马氏体沉淀硬化不锈钢的氢脆敏感性及微观组织的系统性表征，建立了马氏体沉淀硬化不锈钢热处理工艺-微观组织-氢脆抗力的联系，为提高该钢种的氢脆抗力提供了理论依据。该成果以“Correlation between the microstructure and hydrogen embrittlement resistance in a precipitation-hardened martensitic stainless steel”为题发表于Corrosion Science期刊。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109260
通过对不同热处理态试验钢电化学充氢及未充氢试样的慢拉伸实验，获得了不同热处理态马氏体沉淀硬化不锈钢氢脆敏感指数（充氢前后试样的相对塑性损失），并对慢拉伸试样断口形貌进行了详细表征。实验结果表明：冷处理态试样的氢脆敏感指数较低（氢脆抗力较高），延长时效时间可有效降低试验钢对氢脆的敏感性。伴随着氢脆抗力的提高，试样断口的延性断裂特征逐步增加。此外，对断裂慢拉伸试样侧表面氢致裂纹形貌的观察表明，试验钢氢脆断裂行为主要受到试样表面萌生和扩展的氢致亚临界裂纹的控制。
试验钢氢脆抗力提高的微观组织因素主要在于：1) 钢中析出强化相η-Ni3Ti及韧性相奥氏体均为富Ni相。在过时效处理过程（延长时效时间、提高时效温度）中，η相溶解进入奥氏体中，提高了其机械及化学稳定性；另一方面，η相可独立转变为逆转变奥氏体。大量稳定的奥氏体相可作为有效的氢陷阱，降低试验钢基体中可扩散氢含量，降低了氢脆敏感性；2) 大量弥散分布于试验钢基体中的η相在产生较强的析出强化效果的同时，易引起基体内部多位点的应力集中。在钢中不存在纳米级析出相颗粒（冷处理态）或析出相在过时效过程中发生熟化后，有效降低了慢拉伸过程中试验钢内部的应力集中，提高了氢脆抗力。
总体而言，本文为通过热处理工艺调控Cr-Ni-Mo-Ti系马氏体沉淀硬化不锈钢中奥氏体相含量及稳定性，使其作为良性氢陷阱捕获基体中的可扩散氢，从而成功提高了该钢种的氢脆抗力。此研究成果为降低马氏体沉淀硬化不锈钢氢脆敏感性的相关工作提供了一种新颖可行的工艺技术路线。（文：YZ）
图1. 未充氢及充氢试样工程应力-位移曲线
图2. 典型充氢试样脆性、延性断裂SEM微观形貌及其相应的区域界面
图3. 充氢试样中的典型氢致裂纹
图4.不同热处理状态下马氏体沉淀硬化不锈钢不同扫描步长EBSD分析IPF图
图5.马氏体沉淀硬化不锈钢中奥氏体相TEM表征结果
图6.马氏体沉淀硬化不锈钢中氢陷阱位点示意图
*感谢论文作者团队对本文的大力支持
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