高強鋼氫脆HE | 鐵素體-馬氏體雙相鋼中氫陷阱位點的識別
2025-05-27 14:22:06
作者：考拉腐蝕 來源：考拉腐蝕
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低溫型TDS熱脫附氫含量分析，文獻學習，翻譯并筆記記錄如下。鑒于超高強鋼氫脆的高風險性，需明確氫脆機制（Mechanism of HE）并開發抗氫脆性能優異的鋼材。氫在鋼中會被多種陷阱位點（Trapping sites）捕獲，其對氫脆的影響因陷阱類型而異。因此，識別鋼中氫陷阱位點至關重要。本研究旨在識別超高強雙相鋼中的氫陷阱位點。實驗采用1180MPa級雙相鋼，通過軋制施加不同應變，隨后進行陰極電化學充氫，并利用熱脫附分析（TDA，Thermal Desorption Analysis)設備從零下50℃開始測量氫脫附速率。通過高斯函數分析TDA結果，識別出四種氫陷阱位點：35℃處的峰對應位錯（Dislocations)，54℃處的峰對應馬氏體中的碳化物(Carbides in the martensite structure)，75℃處的峰對應馬氏體內部界面及鐵素體-馬氏體界面(various interfacese in the martensite and the ferrite-martensite interface)，110℃處的峰對應空位簇(Clusters)。氫脆；陷阱位點；雙相鋼；熱脫附分析；高斯函數；峰分離；延遲斷裂高強度汽車用鋼的開發旨在減輕車身重量并提升抗撞性，但氫滲入材料導致的氫脆會惡化其力學性能（如總延伸率下降）。由于氫脆敏感性隨材料強度增加，即使在大氣腐蝕環境中，1,180 MPa級及以上超高強度鋼的氫脆問題仍需關注。氫脆源于可擴散氫，其在室溫下可于鋼中擴散。BCC金屬（如鋼）的氫固溶度低于FCC金屬，因此鋼中氫主要被位錯、空位、析出物和晶界等缺陷捕獲。不同陷阱位點的結合能各異，導致氫脫附行為差異顯著。間接識別氫陷阱位點的有效方法是溫度程序脫附法（如熱脫附分析，TDA）。本研究通過低溫熱脫附技術（L-TDS）結合應變處理，明確了雙相鋼中應變誘導的氫陷阱位點。實驗材料包括1,180 MPa級鐵素體-馬氏體雙相鋼（DP鋼）、單相鐵素體鋼（α鋼）及兩種回火馬氏體鋼（M鋼和MDP鋼）。通過軋制引入5%~30%的應變，并加工為1.0 mm厚的板材。采用3% NaCl + 3% NH4SCN溶液進行陰極電化學充氫，充氫后液氮速凍以抑制氫逸散。使用低溫型氣相色譜型TDA設備（L-TDA）測量氫脫附曲線，升溫速率為200°C/h，部分樣品采用100°C/h和50°C/h以計算脫附活化能。
未應變α鋼的氫脫附峰位于35°C，應變增加時，35°C峰強度升高，并出現100~150°C新峰（圖2）。200°C退火后，高溫峰消失（圖4），表明其對應空位簇。M鋼的未應變樣品同樣顯示35°C主峰，應變后出現100~150°C峰（圖5）。MDP鋼經300°C回火后氫含量最高（圖6），其54°C峰對應碳化物/基體界面。DP鋼的未應變樣品氫脫附峰位于30°C，應變后峰向高溫偏移（圖8）。應變0.41時，峰移至50°C，總氫含量達7.1 ppm。
通過高斯函數分離脫附峰，識別出四類陷阱位點：
（1）35°C峰（位錯）：活化能30.1 kJ/mol，與文獻中位錯脫附能（20~30 kJ/mol）一致。
（2）54°C峰（碳化物界面）：300°C回火MDP鋼中顯著，活化能41.5 kJ/mol。
（3）75°C峰（界面）：應變馬氏體中出現的峰對應馬氏體內部邊界（如原奧氏體晶界、板條界），DP鋼中則對應鐵素體-馬氏體界面。
（4）110°C峰（空位簇）：經200°C退火消失，活化能56.0 kJ/mol。
7 結論（1）應變鐵素體鋼的氫脫附峰對應位錯（35°C）和空位簇（110°C）。（2）馬氏體鋼中碳化物界面（54°C）及應變誘導邊界（75°C）為重要陷阱位點。
（3）雙相鋼中額外識別出鐵素體-馬氏體界面（75°C）作為獨特陷阱位點，活化能46.7 kJ/mol。
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