简介：金属材料的强度和抗氢脆性之间的不相容性是设计在含氢环境中运行的轻质可靠结构部件的固有障碍。本文介绍了一种违反直觉的策略，以利用材料微观结构中通常不希望出现的化学不均匀性来实现局部增强的抗裂性和局部氢捕获。在含锰高强度钢中使用这种方法会导致结构中高度分散的富锰区域。这些富含溶质的缓冲区允许对相稳定性进行局部微调，防止氢引起的微裂纹，从而中断氢辅助损伤的渗透。这会在不牺牲材料强度和延展性的情况下产生出色的抗氢脆性。，不避免但利用化学异质性的策略通过先进的热机械加工拓宽了微观结构工程的视野。

当宇宙中最轻、最小、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。这种被称为氢脆的现象是大型工程结构在使用中的灾难性和不可预测的故障的原因。钢铁占全球金属合金市场的 90%，这意味着即使钢铁性能稍有改善，也会产生全球影响。然而，高强度钢特别容易发生氢脆，因为低于百万分之一重量 (ppmw) 的氢足以导致机械性能急剧下降。这种对氢脆的极端敏感性，

溶质氢造成的灾难性损伤通常是由加速的损伤演化过程引起的（1）通常只有百万分之几的氢进入然后在微观结构内扩散，与各种晶格缺陷（如空位、位错和界面）相互作用；(2)氢-缺陷相互作用加速了损伤的成核和扩展；(3)在裂纹尖端应力场的作用下，更多的氢通过扩散聚集在裂纹尖端周围，进一步促进了裂纹的开裂。当前的工程解决方案通常包括应用保护涂层来防止氢气进入，但是保护涂层在磨蚀性和腐蚀性环境中可能会失效。另一种选择是设计具有固有弹性的微观结构（例如，通过晶粒细化或引入缺氢沉淀相），但这些措施会降低无氢条件下的应变硬化能力和塑性。通过微合金化在钢中形成各种氢捕获析出物（例如，Ti 和 V 基碳化物）可以抑制内部氢迁移，尽管这会增加材料成本。然而，当所有的氢阱都充满饱和时高强钢的抗拉强度，这种方法就会失效。这很容易发生，因为这些沉淀物的体积分数通常很低（低于 1%），即有限的储氢体积。因此，开发具有内在高耐氢性和高机械性能的廉价且可扩展的微结构解决方案仍然是一项基本挑战。

在这里，德国马克斯普朗克研究所的孙和卢等人。中国南方科技大学的教授提出了一种基于利用钢成分中溶质不均匀性的策略的解决方案。精心设计的局部成分变化有助于局部提高抗裂性，从而形成缓冲区，防止氢引起的微裂纹，否则这些裂纹会在氢侵蚀相或界面内或沿氢侵蚀相或界面快速传播。相关研究成果以“in high-”为题发表在科学期刊头号期刊上。论文链接：//-021-01050-y

我们在轻质高强度中锰 (Mn) 钢（0.2C-10Mn-3Al-1Si 重量百分比）上演示了我们的方法。通过相图和热化学的计算耦合，精心调整奥氏体相内的 Mn 异质性设计，产生了分散在整个样品中的高数量密度的微观限制的富含 Mn 的缓冲液。在合金变形过程中，从软奥氏体到硬马氏体的动态转变在这些缓冲区内被局部抑制，因为与局部较高的锰含量相关的机械稳定性增加。结果，微观结构演变成嵌入硬基体中的高度分散的软岛，这通常会使氢引起的微裂纹变钝和停滞。化学不均匀性是通过具有不完全 Mn 分布/均匀化的热处理来实现的。加工可以完全以方法为导向，并且可以轻松扩展到已建立且负担得起的工业加工路线。此外，它可以推广到具有相同目标的其他类型的高强度钢，即赋予其微观结构以增强的抗氢脆性。

图 1. 化学异质性诱发裂纹停止的概念作为一种措施来抑制氢脆和高强度钢的微观结构，该钢设计在奥氏体中具有异质 Mn 分布。a，概念示意图显示了氢致裂纹在设计的富溶质缓冲区中的扩展，溶质浓度分布和相应的抗裂性示意图显示在右侧。b，显示奥氏体-铁素体双相结构的电子背散射衍射图（EBSD）加上图像质量图（IQ）。c，基于扫描电子显微镜 (SEM) 的能量色散 X 射线光谱 (EDX) 图揭示了 Mn 在微观结构中的总体分布模式。化学缓冲区是指高锰富集的区域（~14-16 at. % Mn）在奥氏体相中（其中一些用椭圆标记）。d，高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）观察和EDX分析，显示奥氏体团簇甚至奥氏体晶粒内存在多个富锰区域。分别取自标记的圆形和矩形框的选定区域电子衍射和高分辨率透射电子显微镜 (HR-TEM) 图像放置在 STEM 图像的右侧。EDX 线轮廓取自 EDX 图中白色箭头标记的区域。分别取自标记的圆形和矩形框的选定区域电子衍射和高分辨率透射电子显微镜 (HR-TEM) 图像放置在 STEM 图像的右侧。EDX 线轮廓取自 EDX 图中白色箭头标记的区域。分别取自标记的圆形和矩形框的选定区域电子衍射和高分辨率透射电子显微镜 (HR-TEM) 图像放置在 STEM 图像的右侧。EDX 线轮廓取自 EDX 图中白色箭头标记的区域。

图 2 通过设计化学不均匀性提高抗氢脆性。a，与 HOM 参考材料相比，HET 样品的慢应变率拉伸性能。两个样品均经受相同的 H 前提条件（相似量的 H）。此处显示了总氢浓度约为 6.5 ppmw 的样品的代表性拉伸曲线。插图显示了两个样品的延展性作为总氢浓度的函数。还包括来自具有相似强度水平（即高于~600 MPa 屈服强度和~1,000 MPa 抗拉强度）的商用高强度钢（TRIP 9808、QP 9809 和 DP7 钢）测试的文献数据，表明在汽车应用中所需的抗氢脆性。误差线代表重复测试的标准偏差。乙，我们的方法与文献中报道的其他 H 抗性增强方法在 H 存在下对提高拉伸延展性的影响方面进行了比较 (ID = [(εf-H, after – εf-H,)/εf-H,] × 100%，其中εf-H和εf-H,after分别为采用增阻法前后含氢样品的总伸长率或断裂应变）。我们对氢气制备的样品（红色虚线框中的实心红色星形符号）和在变形过程中连续电化学充电的样品（空心星形符号）进行了测试。来自不同材料的文献数据，包括低合金铁素体/马氏体钢、管线钢、各种先进高强度钢、马氏体时效钢、各种奥氏体不锈钢和高熵合金，

图 3 HET 样品在无氢条件下的微观结构演变。a，变形拉伸试样和 EBSD 原位检测示意图，红点表示 EBSD 图像的拍摄位置。当局部拉伸应变 (εloc) 为 40% 时，通过非原位电子背散射衍射观察到部分奥氏体-马氏体转变。b，STEM 和 EDX 分析是从 a 中标记的矩形框的地下粗略生成的。HAADF-STEM 图像中的插图是从黄色矩形框获得的透射衍射相位加 IQ 图。EDX 线轮廓取自 EDX 图中箭头标记的区域。红外透射电子显微镜图像显示了孪晶结构的选区电子衍射 (SAED)，

图 4. 通过化学异质性抑制氢裂化。a，止裂机构示意图。稳定的富含 γMn 的材料能够抵抗形变引起的相变，由于其增强的塑性和降低的 H 扩散系数，能够实现钝化并防止氢引起的微裂纹的侵入。b，化学非均质处理的充氢断裂钢（6.3 ppmw 总氢）中代表性的钝化氢致裂纹。二次电子 (SE) 成像用于检测试样侧面断裂附近和氢饱和附近区域的裂纹。图为 APT 尖端的透射衍射 (TKD) 相图，尖端被抬起。红色虚线表示铁素体 (α) 和奥氏体/马氏体 (γ/α?) 的界面。白色箭头表示裂纹扩展方向。c，尖端的APT结果如b所示，包括Mn的等组分表面图，二维（2D）Mn浓度图，以及α'和γ上的一维（1D）Mn分布（误差线代表标准差）。颜色（粉色、黄色、蓝色）表示不同的锰含量。.

总之，我们将化学不均匀性（由于其对材料的常规损伤容限的有害影响而通常是不希望的）转化为增强对氢脆的固有抵抗力的机制。为了避免异质性，合金通常要经过昂贵的高温处理和长时间的均质化处理，这对环境有很大的负面影响。我们的方法是违反直觉的：我们设计和利用化学不均匀性，而不是避免它，以防止氢引起的微裂纹并抑制它们的传播。用于开发具有一定程度化学不均匀性的微结构的基本热力学原理在于相变和溶质扩散之间的高度动力学失配，这种效果通常适用于合金钢（和一些钛合金）。因此，我们的方法可以转移到大量含有亚稳奥氏体的高性能钢上，利用本文对不同应用领域如各种Trip辅助高级高强度钢、亚稳不锈钢和马氏体Trip钢的抗裂性增强中描述的机制。此外，我们利用化学异质性的策略有望为其他先进的金属加工技术提供重要的见解，例如粉末冶金和增材制造，其中可能存在多种选择来操纵溶质分布或设计。将本文用于不同应用领域，如各种Trip-先进高强度钢、亚稳不锈钢和马氏体Trip钢中描述的抗裂性增强机制。此外，我们利用化学异质性的策略有望为其他先进的金属加工技术提供重要的见解，例如粉末冶金和增材制造，其中可能存在多种选择来操纵溶质分布或设计。将本文用于不同应用领域，如各种Trip-先进高强度钢、亚稳不锈钢和马氏体Trip钢中描述的抗裂性增强机制。此外，我们利用化学异质性的策略有望为其他先进的金属加工技术提供重要的见解高强钢的抗拉强度，例如粉末冶金和增材制造，其中可能存在多种选择来操纵溶质分布或设计。