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馬普所《Nature Materials》:妙!這樣竟然可以提升高強鋼的抗氫脆性

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金屬材料的強度和抗氫脆之間的矛盾,是設計在含氫環境中工作的輕質可靠結構組件的內在障礙。因此,必須要找到經濟可擴展的微觀結構解決方案來應對這一挑戰。

在此,來自德國馬普所的Binhan Sun & Dierk Raabe等研究者,引入了一種違反直覺的策略:設計和利用材料微結構的化學不均勻性,而不是避免它,從而實現阻止氫誘發的微裂紋并抑制其擴展。相關論文以題為“Chemical heterogeneity enhances hydrogen resistance in high-strength steels”發表在Nature Materials上。

論文鏈接:

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

當宇宙中最輕、最小和最豐富的原子氫(H)進入高強度合金(強度超過650 MPa)時,材料的承載能力突然喪失,這種現象被稱為氫脆,它是造成大型工程結構在服務中災難性和不可預測的失效的重要原因。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,高強度鋼特別容易發生氫脆性,因為低于百萬分之一的重量(ppmw) H,往往足以導致其力學性能的急劇下降。這種對氫脆的極度敏感,加上在鋼鐵生產和/或使用過程中往往不可避免的氫進入,使得這些材料在使用時令人擔憂。

溶質H引起的災難性破壞,通常是由加速的損傷演化過程引起的,包括:(1)通常只有百萬分之幾的H進入,然后它在微觀結構內擴散,與各種晶格缺陷(如空位、位錯和界面)相互作用;(2)H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H,從而進一步促進了裂紋的開裂。

目前的工程解決方案,通常包括應用保護涂層來防止H的進入,而這可能會在磨料和腐蝕環境下失效。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陷阱析出相),但這些措施會降低無H條件下的應變硬化能力和/或延性。微合金化在鋼中形成各種H捕獲析出相(例如,Ti基和V基碳化物)可以抑制內部H遷移,盡管它增加了材料成本。然而,當所有H捕集器都被填充到飽和狀態時,這種方法就失去了有效性。由于這些析出相的體積分數通常很低(低于1%),即有限的H存儲體積,這種情況很容易發生。

在此,研究者提出了一種基于利用鋼組織成分中溶質不均勻性策略的解決方案,以此來應對以上挑戰。精心設計的局部成分變化有助于增強局部抗裂能力,從而形成緩沖帶,阻止H誘發的微裂紋,否則這些微裂紋將迅速在內部或沿H侵蝕相或界面傳播(圖1a)。研究者在輕質高強度中錳(Mn)鋼(0.2C-10Mn-3Al-1Si重量百分比)上,演示了他們的方法。在相圖和熱化學計算機耦合(CALPHAD)的幫助下,奧氏體相內部Mn不均一性的良好調整設計,產生了大量富錳緩沖區分散在整個樣品中的。在合金變形過程中,由于局部較高的Mn含量增加了力學穩定性,緩沖區內從軟奧氏體向硬馬氏體的動態轉變受到局部抑制。因此,微觀結構演變為嵌入在硬基體中的高度彌散軟島,這經常導致氫致微裂紋被鈍化?;瘜W不均勻性是通過不完全Mn分配/均質化的熱處理來實現的。整個過程可以完全由CALPHAD方法指導,并易于擴展到已有的、成本合理的工業加工路線。與此同時,該方法也可推廣到其他高強鋼中,提高其組織抗H脆性的能力。

圖1 化學非均質性誘導止裂的概念作為H脆性的措施和在奧氏體內部設計有不均勻的Mn分布的高強度鋼的微觀結構。

圖2 通過設計化學不均勻性提高耐H脆性。

圖3 無氫條件下HET試樣的微觀組織演變。

圖4 化學非均質性對H誘導裂紋的阻止。

綜上所述,研究者將化學不均勻性(通常由于其對材料傳統的損傷耐受性的有害影響而不受歡迎),轉變成一種增強其固有抗氫脆性的機制。為了避免非均質性,合金通常要經受昂貴的高溫和漫長的均質處理,這對環境造成了很大的負面影響。該方法是反直覺的:設計和利用化學不均勻性,而不是避免它,以阻止H誘發的微裂紋并抑制其擴展。潛在的熱力學原理,用于發展具有特定程度的化學不均勻性的微觀組織,在于相變和溶質擴散之間的高動力學失配,這種效應一般適用于合金鋼(和一些鈦合金)。

因此,使用本文介紹的抗裂增強機制,可以應用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)。此外,利用化學異質性的策略有望為其他先進的金屬加工技術,如粉末冶金和增材制造提供重要的見解,這些技術可能存在多種選擇來操縱溶質分布。在這種情況下,溶質不均勻性引起的獨特復合效應,即局部化學波動提供的高抗裂性和其他顯微組織成分產生的高力學性能的結合,也可以擴展到其他H阻礙存在成分依賴性的合金中。(文:水生)

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