金屬材料的強度和抗氫脆之間的矛盾，是設(shè)計在含氫環(huán)境中工作的輕質(zhì)可靠結(jié)構(gòu)組件的內(nèi)在障礙。因此，必須要找到經(jīng)濟可擴展的微觀結(jié)構(gòu)解決方案來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

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(shè)計和利用材料微結(jié)構(gòu)的化學不均勻性，而不是避免它，從而實現(xiàn)阻止氫誘發(fā)的微裂紋并抑制其擴展。相關(guān)論文以題為“Chemical heterogeneity enhances hydrogen resistance in high-strength steels”發(fā)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(xiàn)象被稱為氫脆，它是造成大型工程結(jié)構(gòu)在服務(wù)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(chǎn)生影響。然而，高強度鋼特別容易發(fā)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(chǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(yīng)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(yīng)用保護涂層來防止H的進入，而這可能會在磨料和腐蝕環(huán)境下失效。另一種選擇是設(shè)計具有內(nèi)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(yīng)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(nèi)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(tài)時，這種方法就失去了有效性。由于這些析出相的體積分數(shù)通常很低(低于1%)，即有限的H存儲體積，這種情況很容易發(fā)生。

在此，研究者提出了一種基于利用鋼組織成分中溶質(zhì)不均勻性策略的解決方案，以此來應(yīng)對以上挑戰(zhàn)。精心設(shè)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(fā)的微裂紋，否則這些微裂紋將迅速在內(nèi)部或沿H侵蝕相或界面?zhèn)鞑?圖1a)。研究者在輕質(zhì)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(nèi)部Mn不均一性的良好調(diào)整設(shè)計，產(chǎn)生了大量富錳緩沖區(qū)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(wěn)定性，緩沖區(qū)內(nèi)從軟奧氏體向硬馬氏體的動態(tài)轉(zhuǎn)變受到局部抑制。因此，微觀結(jié)構(gòu)演變?yōu)榍度朐谟不w中的高度彌散軟島，這經(jīng)常導致氫致微裂紋被鈍化。化學不均勻性是通過不完全Mn分配/均質(zhì)化的熱處理來實現(xiàn)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(yè)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(zhì)性誘導止裂的概念作為H脆性的措施和在奧氏體內(nèi)部設(shè)計有不均勻的Mn分布的高強度鋼的微觀結(jié)構(gòu)。

圖2 通過設(shè)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(zhì)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(tǒng)的損傷耐受性的有害影響而不受歡迎），轉(zhuǎn)變成一種增強其固有抗氫脆性的機制。為了避免非均質(zhì)性，合金通常要經(jīng)受昂貴的高溫和漫長的均質(zhì)處理，這對環(huán)境造成了很大的負面影響。該方法是反直覺的：設(shè)計和利用化學不均勻性，而不是避免它，以阻止H誘發(fā)的微裂紋并抑制其擴展。潛在的熱力學原理，用于發(fā)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(zhì)擴散之間的高動力學失配，這種效應(yīng)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(yīng)用到大量含有亞穩(wěn)奧氏體的高性能鋼中，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域(例如，各種TRIP-輔助的高級高強度鋼、亞穩(wěn)不銹鋼和馬氏體TRIP鋼)。此外，利用化學異質(zhì)性的策略有望為其他先進的金屬加工技術(shù)，如粉末冶金和增材制造提供重要的見解，這些技術(shù)可能存在多種選擇來操縱溶質(zhì)分布。在這種情況下，溶質(zhì)不均勻性引起的獨特復合效應(yīng)，即局部化學波動提供的高抗裂性和其他顯微組織成分產(chǎn)生的高力學性能的結(jié)合，也可以擴展到其他H阻礙存在成分依賴性的合金中。