（a）未沖氫                    （b）沖氫

圖11 非氫及氫環(huán)境條件下鋼材彎曲斷口變化[22]

（a）未沖氫                       （b）沖氫

圖12 不同氫環(huán)境下疲勞試樣的斷口形貌對(duì)比[23]

圖13氫致延遲斷裂預(yù)測(cè)[24]

圖14氫致延遲斷裂過(guò)程模擬（Molecular）[24]

6 氫致延遲斷裂測(cè)試評(píng)價(jià)方法

汽車用超高強(qiáng)度鋼氫脆(氫致延遲斷裂)試驗(yàn)包括零件試驗(yàn)和材料試驗(yàn)，其中理想的狀態(tài)是在服役條件下開(kāi)展零件試驗(yàn)，但試驗(yàn)周期往往很長(zhǎng)，因此各種加速試驗(yàn)是被廣泛采用。當(dāng)前針對(duì)超高強(qiáng)度鋼零部件氫脆試驗(yàn)，相關(guān)研究報(bào)道較少，已有部分企業(yè)采用了零部件浸泡酸溶液試驗(yàn)，或者預(yù)彎曲+浸泡試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間由企業(yè)自行決定。針對(duì)超高強(qiáng)度鋼材料氫脆試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究或類似標(biāo)準(zhǔn)也較多，各研究者采用的方法也種類繁多，主要有以下幾種測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)方法。

1、恒應(yīng)力/應(yīng)變?cè)囼?yàn)是通過(guò)機(jī)械裝置或恒載試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行恒定的拉伸或彎曲載荷加載，試樣可采用光滑或缺口試樣，試驗(yàn)過(guò)程中試樣采用浸泡或電化學(xué)方式充氫。由于恒應(yīng)力加載斷裂時(shí)間一般通過(guò)人為確定一個(gè)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果分散度較大，目前的試驗(yàn)大多采用充氫+恒載試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)采用充氫與未充氫條件下材料的斷裂應(yīng)力差異化分析來(lái)評(píng)價(jià)材料氫脆敏感性，同時(shí)觀察斷裂后斷口形貌。

2、慢應(yīng)變速率拉伸：近年來(lái)也有研究者趨向于采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)研究超高強(qiáng)度鋼的氫脆敏感性。其中國(guó)標(biāo)GB/T 15970.7 、 ISO 7539、ASTM E8M-03等標(biāo)準(zhǔn)均提及了慢應(yīng)變速率拉伸，應(yīng)變速率范圍為10-3～10-7/s，一般采用10-5/s，試樣采用光滑或缺口試樣，同樣試驗(yàn)過(guò)程中需要充氫。

3、準(zhǔn)靜態(tài)拉伸：相對(duì)于傳統(tǒng)的恒載荷與低應(yīng)變速率試驗(yàn)，研究者們嘗試更高應(yīng)變速率的試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)氫脆敏感性。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的時(shí)間較短，樣品可考慮預(yù)充氫的形式，應(yīng)變速率在10-3/s的水平，試樣可采用光滑或者缺口試樣。

4、斷裂力學(xué)試驗(yàn)：本試驗(yàn)方法通常采用WOL型預(yù)制裂紋試樣，在含氫介質(zhì)條件下加載，用斷裂力學(xué)的方法求出臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠ或及裂紋擴(kuò)展速率da/dt等斷裂力學(xué)參量。其優(yōu)點(diǎn)是真實(shí)反映了實(shí)際構(gòu)件難免存在宏觀缺陷的情況，節(jié)省了裂紋產(chǎn)生的時(shí)間，但這種方法只針對(duì)斷裂裂紋的擴(kuò)展，不對(duì)裂紋的萌生提供任何評(píng)價(jià)。

5、沖杯試驗(yàn)：作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的氫致開(kāi)裂評(píng)價(jià)方法，在歐洲應(yīng)用得較為廣泛。相比于U彎試驗(yàn) ，沖杯試驗(yàn)中發(fā)生氫致開(kāi)裂的臨界應(yīng)變與臨界氫含量更高，也即沖杯試驗(yàn)中材料在更高的應(yīng)變和可擴(kuò)散氫含量條件下才會(huì)發(fā)生氫致開(kāi)裂 （圖15）。目前此試驗(yàn)的一般流程是對(duì)鋼材進(jìn)行不同變形量條件下的沖杯試驗(yàn)，利用XRD等表征手段獲取相應(yīng)的殘余應(yīng)力大小，再將沖杯樣品置于不同氫環(huán)境下進(jìn)行浸泡，觀測(cè)在指定時(shí)間內(nèi)樣品是否出現(xiàn)開(kāi)裂，若開(kāi)裂則對(duì)斷口進(jìn)行測(cè)評(píng)。目前國(guó)內(nèi)諸如中國(guó)汽車工程研究院、北京科技大學(xué)、香港大學(xué)、鞍鋼（圖15）等機(jī)構(gòu)正在開(kāi)展此類試驗(yàn)研究。

圖15 沖杯試驗(yàn)實(shí)例[25]

綜上所述，由于高強(qiáng)鋼的延遲斷裂是鋼中的氫引起的，除了受材料因素的影響外，還依存于環(huán)境因素和應(yīng)力因素，而鋼中許可的臨界氫含量和環(huán)境氫的定量化還沒(méi)有統(tǒng)一，因此目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的延遲斷裂試驗(yàn)方法，探索像屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度那樣的材料本征特性評(píng)價(jià)指標(biāo)就成了未來(lái)研究工作的熱點(diǎn)之一。

7 微合金化對(duì)提升鋼材氫致延遲斷裂的作用

如前所述，導(dǎo)致高強(qiáng)鋼發(fā)生氫致延遲斷裂的根本原因是鋼中的可擴(kuò)散氫與各類晶體缺陷產(chǎn)生交互引起的。在服役氫環(huán)境、外加載模式等因素?zé)o法控制的基礎(chǔ)上，如何降低鋼中的可擴(kuò)散氫含量就成為防止鋼產(chǎn)生氫致延遲斷裂的根本，而其關(guān)鍵在于如何在鋼基體內(nèi)部營(yíng)造出強(qiáng)烈的氫陷阱環(huán)境。根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明：營(yíng)造氫陷阱環(huán)境的關(guān)鍵在于合理的控制鋼中的第二相粒子及細(xì)化晶粒，其中針對(duì)第二相，通過(guò)促進(jìn)其尺寸規(guī)格納米化，形成高能氫陷阱；其次通過(guò)控制鋼中的第二相粒子析出并結(jié)合細(xì)化晶粒，促進(jìn)鋼中氫元素分布更加的彌散化，從而降低可擴(kuò)散氫含量并防止氫的富集，起到抑制氫致延遲斷裂的作用。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在原有鋼材成分基礎(chǔ)上，通過(guò)添加Ti、Mo、Nb、V等微元素，控制第二相粒子析出，細(xì)化晶粒、增大晶界面積，被認(rèn)為是最為合理有效的技術(shù)手段。國(guó)內(nèi)外在此方面均開(kāi)展了大量的工作。

近年來(lái)，針對(duì)含Nb微合金高強(qiáng)鋼研究正成為國(guó)內(nèi)研究的焦點(diǎn)。已有研究結(jié)果表明：通過(guò)Nb微合金化細(xì)化晶粒對(duì)提高抗氫致延遲斷裂發(fā)生的臨界應(yīng)力有益。隨著Nb含量提高鋼材抗拉強(qiáng)度也將提升，其抗氫致延遲斷裂性能也能得到明顯改善。有研究認(rèn)為隨著Nb含量增加鋼材的吸氫量會(huì)降低，可能與晶界強(qiáng)化有關(guān)，Nb析出物的尺寸、分布及形態(tài)對(duì)延遲開(kāi)裂也有很大影響。此外由于NbC無(wú)共格、無(wú)應(yīng)力場(chǎng)，這可能是使高Nb含量鋼的高溫回火吸氫減小原因，且NbC還可作為強(qiáng)的氫捕捉陷阱，可實(shí)現(xiàn)將氫固定其周圍，降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，防止氫向易萌生裂紋的潛在危險(xiǎn)部位富集，降低材料的氫脆敏感性（圖16[26]）。國(guó)內(nèi)有研究者針對(duì)傳統(tǒng)的22MnB5，開(kāi)展了通過(guò)Nb微合金化提升其臨界氫致延遲斷裂應(yīng)力的研究，結(jié)果表明：通過(guò)添加5～8%的Nb元素使鋼材臨界氫致延遲斷裂應(yīng)力由500MPa提升至1000MPa，取得了良好的改善效果。

圖16 含Nb鋼氫陷阱作用機(jī)理[26]

除Nb外，近年來(lái)V微合金化高強(qiáng)鋼研究也是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的焦點(diǎn)。已有研究結(jié)果表明：鋼中的V元素也可與碳結(jié)合形成金屬化合物粒子，并可作為強(qiáng)有力的氫捕捉陷阱。關(guān)于VC對(duì)氫的捕捉效果Y.S.Chen等采用預(yù)先低溫凍結(jié)氫原子，再利用3維原子探針結(jié)合X射線斷層掃描等手段，觀察VC粒子對(duì)氫原子的捕捉效果。如圖17可以看出：氫原子更加趨向于在VC粒子聚集區(qū)域內(nèi)富集，這也直接體現(xiàn)了VC粒子對(duì)氫原子的捕捉能力。攀鋼集團(tuán)研究院針對(duì)TWIP鋼，研究了V微合金化對(duì)其抗氫致延遲斷裂性能的改善效果。如圖18可以看出：與上述類似，在V聚集區(qū)域內(nèi)同樣發(fā)生了氫元素的富集。

圖17  VC對(duì)氫的捕捉效果[27]

圖18 NbC對(duì)氫的捕捉效果[28]

近年來(lái)，基于Nb、V等不同微合金元素各自的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外也開(kāi)始致力于采用復(fù)合微合金化方式，起到進(jìn)一步改善鋼材氫致延遲斷裂性能的作用。中信金屬聯(lián)合中國(guó)汽車工程研究院、馬鋼等機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了新型0.04%Nb+0.04%V的復(fù)合微合金化熱成形用鋼，氫脆性能試驗(yàn)結(jié)果表明其抗延遲斷裂性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的22MnB5，取得了顯著的微合金化技術(shù)應(yīng)用成效。

此外通過(guò)添加Al元素達(dá)到改善鋼材抗氫致延遲斷裂性能也為國(guó)內(nèi)業(yè)界所關(guān)注，如鞍鋼研究院曾經(jīng)研究了含Al元素的TWIP鋼的氫脆性能。如圖19可以看出，在TWIP鋼中添加一定量的Al，可以抑制氫在鋼材中的擴(kuò)散，提升其抗氫致延遲斷裂性能。韓國(guó)浦項(xiàng)集團(tuán)也針對(duì)TWIP鋼做了類似的研究，取得了類似效果（圖20）。

圖19 Al對(duì)TWIP鋼中氫元素?cái)U(kuò)散系數(shù)的影響

圖20 Al對(duì)TWIP鋼延遲斷裂性能影響

8 總結(jié)

綜上所述，高強(qiáng)鋼的耐氫致延遲開(kāi)裂性能已經(jīng)作為一個(gè)世界性的難題，受到國(guó)內(nèi)外業(yè)界的廣泛關(guān)注，開(kāi)展了大量的研究，未來(lái)可預(yù)計(jì)在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)研究，以盡快解決這一共性技術(shù)難題：

1、建立囊括環(huán)境、應(yīng)力、氫濃度三者統(tǒng)一的氫脆物理模型；

2、建立真正能夠反映不同的產(chǎn)品服役特性條件下鋼材氫脆敏感性的檢測(cè)技術(shù)方法及評(píng)價(jià)表征參量；

3、通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)，盡快獲取不同類別、強(qiáng)度級(jí)別鋼種的氫脆臨界工藝控制參數(shù)窗口；

4、銅鼓試驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)轉(zhuǎn)化，形成合理、可行的鋼材氫脆預(yù)測(cè)手段；

5、大力發(fā)展 Nb、V等微合金/復(fù)合微合金化超高強(qiáng)鋼。

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