氫能是一種二次清潔能源，被譽為“21世紀終極能源”，在當今世界推動碳達峰、碳中和等人類命運共同體大目標的背景下，氫能開始明顯加快了研究開發的進度。但隨著全球大步邁向氫能時代之時，一個問題也隨之而來，即與氫能產業相關的結構材料會不可避免地長期暴露在富氫環境中，而在這背后就存在著氫脆（HE）這一“隱形殺手”，其會在毫無預警的情況下迅速削弱材料韌性并導致災難性失效。鋼是目前工業領域應用最多的材料體系，尤其是高強鋼與沉淀硬化不銹鋼（PHSSs）在航空航天、海工、核電等高端裝備領域中也得到了大量使用，但這些鋼材體系雖然強度超群，卻也逃不開氫脆的問題，往往在富氫環境下其長期穩定性要大打折扣。

因此，如何在保證超高強度的同時顯著提升抗氫脆性能，一直是材料科學領域的“卡脖子”難題，尤其是在全球加快氫能研發的當下。正是在這一背景下，哈工大（深圳）聯合鋼研院于2025年9月12日在《Corrosion Science》期刊上發表了題為“Superior hydrogen embrittlement resistance of 1.9 GPa-grade precipitation hardening stainless steel achieved by multi-phase precipitation engineering”的最新成果，團隊通過多相析出工程實現了1.9GPa級的沉淀硬化不銹鋼，同時在保持高強度的同時顯著提升抗氫脆能力，為氫能時代高性能結構材料設計提供了新范式。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113315

【核心內容】

該研究通過在馬氏體基體內引入高密度的M₂C碳化物、α'_Cr富集區和逆轉變奧氏體，在Ferrium S53沉淀硬化不銹鋼內部構建一套多尺度、多能級的氫陷阱體系，二次時效樣品即便處于氫充環境下仍能夠保持1637MPa的強度和9.7%的延伸率，氫脆指數降至11%。

協同斷裂模式和多尺度氫阱示意圖

【研究方法】

試樣制備時首先進行固溶處理（SA），然后設計一次冷處理態（FAT）和二次處冷處理態（SAT）兩種冷處理和時效工藝方案以獲得微觀結構不同的試樣。材料的氫脆敏感性通過標準慢應變速率拉伸（SSRT）測試評價，在高純氫氣（99.999%）環境下以10^-6 s^-1的應變速率拉伸并與其在空氣環境下的性能進行對比，并結合XRD、EBSD、TEM、APT以及熱脫附譜（TDS）等手段揭示多尺度組織演變和氫捕獲行為，氫與析出物及空位的相互作用機理則借助第一性原理密度泛函理論（DFT）計算揭示。

熱處理工藝示意圖

【研究成果】

① 強度與抗氫脆性的同步提升

SAT樣品展現出優異的力學與抗氫脆性能，在空氣環境下期極限抗拉強度達到1919MPa，延伸率保持在10.9%左右，而在氫充環境下，其氫脆指數也僅11%，相比FAT樣品的26.8%，抗氫脆性能顯著提升，且仍能保持高強度和一定的延展性。

不同熱處理態（HF/HC）的應力–位移曲線對比

氫充樣品的斷口SEM形貌對比

② 斷口形貌揭示氫脆機理轉變

氫充樣品在斷口處表現為準解理（QC）+沿晶斷裂（IG）與微孔聚合（MVC）混合特征，同時，氫充狀態下可觀察到次生裂紋在側表面形成，其分布方向幾乎垂直于拉伸方向，與FCT（首次冷處理態）相比，SAT樣品的次生裂紋數量更多，但裂紋深度更淺。

不同斷裂區域的SEM特征

氫充態樣品側表面次生裂紋對比

氫致裂紋優先起裂于馬氏體亞結構邊界的示意與顯微形貌

③ 多尺度組織調控與氫捕獲機制

二次時效促進了M₂C碳化物和α'_Cr富集相的高密度析出，同時逆轉變奧氏體的體積分數也提升至9.2%，這些相的協同作用，提供了豐富的氫捕獲位點。其中Mo能夠融入M₂C碳化物結構中穩定碳空位，提高對氫原子的束縛能力，逆轉變奧氏體憑借其較高的氫溶解能力與較低的氫擴散速率，可有效延緩材料失穩進程，馬氏體分級界面則通過釘扎位錯，阻止氫原子的快速遷移。

XRD與EBSD表征的逆轉變奧氏體分布

FAT樣品中碳化物與Cr富集相三維原子映射

DFT模擬Mo對M₂C氫捕獲能的強化機制

【總結與展望】

研究闡明了1.9GPa級沉淀硬化不銹鋼中多相析出現象與抗氫脆能力增強的相互作用，并用DFT揭示了Mo對M₂C氫陷阱性能的強化效應，這一成果不僅突破了傳統材料設計的瓶頸，也為氫能環境下結構材料的長期服役安全奠定了堅實的科學與工程基礎。