高強度不銹鋼(High strength stainless steels, HSSSs)因其優(yōu)異的強韌性匹配，較高的比強度/剛度，良好的焊接性(較低碳含量)和耐蝕性、尺寸穩(wěn)定性，簡單的熱處理工藝以及較好的熱加工性能，成為航空、航天、海洋、石化工程等高端制造業(yè)領(lǐng)域的重要原材料之一，已應(yīng)用于飛行器起落架、鉸鏈、螺栓、發(fā)動機鎖制鉤等構(gòu)件的制造。

應(yīng)用于飛機起落架構(gòu)件制造的傳統(tǒng)原材料主要為各種類的高強度低合金鋼。伴隨著海洋在各國發(fā)展戰(zhàn)略中地位的日益凸顯，飛行器需要在苛刻的海洋環(huán)境中長期服役，因此面臨著應(yīng)力腐蝕開裂和氫致延遲斷裂帶來的嚴(yán)重安全隱患。然而，現(xiàn)役低合金鋼因其合金體系中耐蝕性元素含量低，故而耐蝕性較差，普遍存在較為嚴(yán)重的腐蝕失效現(xiàn)象。

為了提高高強鋼的耐蝕性，需要對其進(jìn)行表面涂鍍，如采用已廣泛應(yīng)用的鍍鎘工藝。然而，隨著對低成本和環(huán)保型材料的追求，高強鋼的表面涂鍍工藝不僅大幅提高了飛行器使用壽命周期內(nèi)的維護(hù)成本，且會造成環(huán)境污染；此外，涂鍍過程溶液中的氫會進(jìn)入基體，進(jìn)而引發(fā)氫致斷裂。

基于上述原因，歐盟相關(guān)機構(gòu)，如REACH(Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals)已著手制定限制或取消使用鍍鎘工藝的規(guī)定。鑒于未來采用鍍鎘工藝的高強鋼的使用可能受到一定程度限制，開發(fā)新型高強度不銹鋼，在未來作為傳統(tǒng)高強鋼的替代材料具有十分深遠(yuǎn)的意義。

另外，作為自然界中最輕、最小和含量最豐富的原子，氫原子一旦侵入結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部，往往造成材料嚴(yán)重的塑性損失和承載能力下降，從而導(dǎo)致裝備服役過程中早期失效或災(zāi)難性的失效事故。考慮到氫在鐵中較高的可動性，其對于鐵基結(jié)構(gòu)材料服役安全性威脅更甚。大量實踐表明，當(dāng)鋼的強度超過1.0GPa后，其對氫脆的敏感程度隨著強度的提升而顯著增加。作為重要結(jié)構(gòu)件制造原材料，馬氏體超高強度不銹鋼同樣面臨著嚴(yán)重的氫脆問題，因此，針對高強度不銹鋼氫脆行為、氫陷阱特征及其氫脆抗力調(diào)控的研究得到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

為了滿足高端裝備生產(chǎn)對高性能不銹鋼的需求，美國Carnegie Illionois鋼鐵公司于1946年成功研發(fā)了第1代馬氏體沉淀硬化不銹鋼Stainless W(牌號為0Cr17Ni7Ti0.7Al0.2)。在此基礎(chǔ)上，美國Armco鋼鐵公司在該鋼合金體系中加入Cu、Nb元素并去除Al、Ti元素，于1948年開發(fā)了17-4PH鋼，其可稱為第1代高強度不銹鋼的典型代表，該鋼因良好的強韌性及耐蝕性，除應(yīng)用于F-15飛機起落架構(gòu)件外，目前還廣泛應(yīng)用于緊固件及發(fā)動機零部件的制造，但該材料的冷變形能力較差。此后，為了減少對材料橫向力學(xué)性能不利的有害高溫δ-鐵素體組織殘留，Armco公司通過降低鐵素體形成元素Cr的含量并增加Ni元素含量，開發(fā)出了15-5PH沉淀硬化不銹鋼，克服了17-4PH鋼橫向塑、韌性差的缺點(δ-鐵素體體積分?jǐn)?shù)不大于2%)，并已應(yīng)用于制造艦船及導(dǎo)彈殼體等。美國Carpenter科技公司通過進(jìn)一步降低Cu、C(C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%)元素含量、加入Mo元素，研發(fā)了Custom系列鋼種的首個牌號——Custom450，并于1966年發(fā)布了具有更低δ-鐵素體含量的Custom455鋼。1968年，Armco公司發(fā)布了基于PH14-8Mo鋼合金體系，降Cr、增Ni后得到的PH13-8Mo鋼，其橫向力學(xué)性能有了進(jìn)一步的提高。此后，Carpenter公司于1996年及2003年，分別獲得了更高強度級別的Custom465(1.8 GPa)與475(2 GPa，含Co元素)馬氏體時效不銹鋼的專利。

據(jù)報道，Custom465鋼耐蝕性接近奧氏體304不銹鋼，兼具良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，已成功用于飛機液壓驅(qū)動裝置、襟翼導(dǎo)軌、起落架部件等航空結(jié)構(gòu)件的制造中, Custom465鋼兼顧了高強韌和低成本合金設(shè)計的理念，可以稱之為第2代高強度不銹鋼的代表。

2002年，Questek Innovation公司依托美國國防部戰(zhàn)略環(huán)境研究與發(fā)展計劃(Strategic Environment Research and Development Program, SERDP)中的污染防治項目，歷史上首次通過其擁有專利的計算輔助材料設(shè)計系統(tǒng)(Materials by Design，材料基因組計劃組成部分)研發(fā)出了新型Ferrium S53二次硬化超高強度不銹鋼，該鋼采用基因理性計算的新設(shè)計理念，可稱為第3代高強度不銹鋼的代表，用于替代需進(jìn)行鍍鎘處理的傳統(tǒng)300M低合金超高強度鋼，其抗拉強度達(dá)1.9 GPa級，并保持了良好的塑、韌性(A=11%，KⅠC= 71 MPa·m^1/2)；同時，F(xiàn)erriumS53鋼具有優(yōu)異的抗均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能，并已成功應(yīng)用于美國軍用飛機主起落架部件的制造。圖1所示為FerriumS53鋼應(yīng)用及與傳統(tǒng)低合金高強度鋼耐蝕性能對比，其中圖1(a)所示為美軍A-10攻擊機，圖1(b)所示為采用FerriumS53鋼制造的主起落架活塞于真空爐中熱處理的圖片。另一方面，如圖1(c)和(d)所示，交互在鹽水和空氣中放置1 000 h后，F(xiàn)erriumS53相較傳統(tǒng)300M鋼的標(biāo)距段耐蝕性明顯更為優(yōu)異。

中國自1958年始即開展了高強度不銹鋼的研制工作，先后開發(fā)了0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr15Ni5Cu2Ti等高強度不銹鋼材料。與美國同期，中國在2000年以后相繼開發(fā)出了幾種1.9 GPa級超高強度不銹鋼，包括S280、F863以及USS122鋼等牌號。為了進(jìn)一步梳理高強度不銹鋼的發(fā)展歷程，現(xiàn)將典型航空用高強度不銹鋼的主要合金元素含量、析出強化相、力學(xué)性能指標(biāo)及耐蝕性進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果見表1和表2。

由表1可知，典型高強度不銹鋼均屬于中合金或高合金鋼，合金元素添加量多、體系復(fù)雜，其中不乏Co、Mo等較為昂貴的合金元素，致使高強度不銹鋼合金成本較高，應(yīng)用受到一定程度的限制。因此，在未來發(fā)展中追求最佳綜合性能的同時，提高性價比是高強度不銹鋼發(fā)展的方向之一。

由表1和表2可知，高強度不銹鋼中合金含量增加導(dǎo)致強度升高，為了達(dá)到超高強度，可在合金中加入Co、W等元素。同時，第二相沉淀硬化效應(yīng)由單一的碳化物或金屬間化合物強化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾囉谔蓟锖徒饘匍g化合物析出的復(fù)合強化，第二相在相界面處的析出和基體的調(diào)幅分解，造成了Cr元素在局部微區(qū)的富集和貧瘠，從而使這類鋼的韌性和耐蝕性均有下降趨勢。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，航空器起落架組件的質(zhì)量約占其總質(zhì)量的7%以上。為了進(jìn)一步提高航空器的燃油效率并減少溫室氣體的排放，在保證材料的塑韌性、抗疲勞性能及耐蝕性的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步提高起落架用鋼的強度及剛度，從而實現(xiàn)起落架組件的小型化及整機的輕量化設(shè)計目標(biāo)。

圖2所示為Ashby圖，反映了典型航空用高強鋼及高強度不銹鋼的抗拉強度與平面斷裂韌性的對應(yīng)關(guān)系。高斷裂韌性材料所制備的零部件損傷容限較高，這對于航空器的服役安全性具有重要意義。

由圖2可見，伴隨著極限抗拉強度的提高，材料的斷裂韌性顯著下降，因此，高強度不銹鋼在具備超高強度的同時如何進(jìn)一步提升塑韌性是未來發(fā)展的技術(shù)方向之一。值得一提的是，鋼鐵研究總院有限公司在“十二五”及“十三五”計劃期間，分別成功研制了強度級別達(dá)1.9 GPa及2.2 GPa的USS122G和CF350新型超高強度不銹鋼，其中CF350鋼的強度級別是目前國內(nèi)外高強度不銹鋼中最高的，優(yōu)良的耐腐蝕性能以及較好的斷裂韌性(60 MPa·m^1/2)，使其成為具有潛在應(yīng)用價值的新一代超高強度不銹鋼。

另外，伴隨著強度的提升高強鋼對氫脆較為敏感，在基體中侵入較低含量氫原子(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0001%)的情況下即可發(fā)生災(zāi)難性的脆性斷裂。特別是飛行器起落架零部件將在富氫的腐蝕環(huán)境中長期服役，并承受多種類型載荷的長期作用，從而可能產(chǎn)生多種腐蝕機制共同作用下的失效行為。圖3所示分別為軍用飛機主起落架構(gòu)件主體(圖3(a))、起落架失效事故(圖3(b))及其斷口表面的宏觀形貌(圖3(c))。此種失效事故嚴(yán)重威脅了飛機的起降安全，起落架斷口表面存在明顯的腐蝕產(chǎn)物和剝蝕現(xiàn)象。

因此，就飛機服役的復(fù)雜環(huán)境而言，雖然高強度不銹鋼在腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)越的耐腐蝕性能，但隨著強度提高，鋼的氫脆敏感性增加。對高強度不銹鋼的應(yīng)力腐蝕及氫脆機理、影響因素的研究仍處于對相應(yīng)試驗現(xiàn)象的解釋階段，并未形成統(tǒng)一的理論認(rèn)知，相關(guān)研究仍十分欠缺。因此，揭示高強度不銹鋼氫脆的科學(xué)本質(zhì)，以此來指導(dǎo)高強度不銹鋼的應(yīng)用和新型抗氫脆型高強度不銹鋼的合金設(shè)計具有重要的意義。

高強度不銹鋼的強度一般滿足抗拉強度大于900MPa、屈服強度大于600MPa，可通過調(diào)控化學(xué)成分、加工工藝、微觀組織韌性等手段來滿足鋼在特定溫度、載荷條件的使用要求。因此，針對高強度不銹鋼的強韌化機理，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，力求獲得兼具良好強-塑韌性的材料。

3.1.1 固溶強化

固溶強化是一種較為常用的、利用點缺陷強化鋼鐵材料的方法。其機理為溶質(zhì)原子固溶進(jìn)入體心立方結(jié)構(gòu)α-Fe基體中，造成基體晶格畸變，產(chǎn)生彈性應(yīng)力場阻礙位錯運動，從而提高材料強度。根據(jù)溶質(zhì)原子與溶劑原子形成的固溶體類型可將固溶強化分為間隙固溶強化和置換固溶強化：前者主要為C、N等小尺寸溶質(zhì)原子固溶進(jìn)入α-Fe基體晶格的間隙位置中，在位錯線附近規(guī)則排列形成Cottrell氣團或Snoek氣團釘扎位錯，從而達(dá)到了強化目的；后者主要為Co、Cr、Mo、Si等較大尺寸溶質(zhì)原子在α-Fe基體晶格中造成球面對稱的、效果遠(yuǎn)小于間隙固溶強化的畸變，從而產(chǎn)生強化效果。

Wang J S等在對一種主要由富Cu相和M2C強化的、高韌度二次硬化鋼BA 160的研究中提出由式(1)來定量描述各溶質(zhì)元素對試驗鋼基體的固溶強化效果。

式中：τss為固溶強化機制貢獻(xiàn)的臨界切分應(yīng)力；kss，i為強化因子；ci為強化溶質(zhì)原子i在基體中的原子分?jǐn)?shù)。常見溶質(zhì)原子的強化因子見表3。

此外，王清等提出了一種基于團簇模型的馬氏體超高強度不銹鋼設(shè)計模型，選取了［NiFe12］Cr3作為固溶體原子團簇基團，通過在基體中引入C、Cu、Mo等溶質(zhì)原子，研究固溶態(tài)及時效態(tài)高強度馬氏體不銹鋼的力學(xué)及電化學(xué)特性，提供了合金鋼基于固溶體團簇的設(shè)計新理念。

3.1.2 位錯及亞結(jié)構(gòu)強化

一方面，高密度位錯的相互作用阻礙了位錯在形變過程中的運動，因而產(chǎn)生了強化作用；另一方面，材料內(nèi)部的高密度位錯或其他晶體缺陷會促進(jìn)析出相的形核并進(jìn)一步優(yōu)化其形貌。TIAN J等通過對比兩種不同變形量的馬氏體時效鋼(變形量分別為40%和90%)的析出行為發(fā)現(xiàn)，大變形量試驗鋼由于變形位錯的增殖為析出相形成元素提供了有效的擴散通道，因此其達(dá)到峰時效的時間明顯縮短；且隨著變形量的增大，時效后材料內(nèi)部析出相的數(shù)密度隨之增加、尺寸逐漸縮小。

如圖4所示，筆者團隊針對FerriumS53鋼所采用的獨特“雙冷處理-時效處理”工藝中二次冷處理工藝(Secondary cold treatment, SCT)對該鋼二次時效態(tài)試樣(Secondary aging treatment, SAT)的微觀組織及力學(xué)性能的研究同樣表明：兩次時效處理間實施短時二次冷處理(-73℃×3h)有效減少了一次時效處理(First aging treatment, FAT)過程中產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)逆轉(zhuǎn)變奧氏體，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體，從而有效緩解了二次時效過程鋼中位錯的回復(fù)及湮滅，并為析出相形核提供了更多位點。此外，二次冷處理細(xì)化了二次時效態(tài)鋼中馬氏體基體層級亞結(jié)構(gòu)及析出相尺寸，并提高了大角度晶界比例。相較只經(jīng)過初次冷處理的二次時效態(tài)試驗鋼(Single cold treated-secondary aging treatment, SC-SAT)，上述微觀組織因素共同導(dǎo)致了經(jīng)二次冷處理后的二次時效態(tài)(Double cold treated-secondary aging treatment, DC-SAT)Ferrium S53鋼強度和沖擊韌性的同步提升。

3.1.3 相變強化

通過固溶處理后，得到由奧氏體共格切變產(chǎn)生的高密度位錯板條馬氏體，后經(jīng)過時效處理得到回火板條馬氏體，這是鋼具備優(yōu)異強韌性匹配的組織基礎(chǔ)。馬氏體的層級結(jié)構(gòu)如圖5所示，在相變過程中奧氏體晶粒內(nèi)部會生長出馬氏體同位相束，板條群進(jìn)一步細(xì)分可分為由具有相同取向變體的板條構(gòu)成的板條塊(block)。相關(guān)研究表明，中、低碳鋼中馬氏體板條與原奧氏體保持著K-S位相關(guān)系。

3.1.4 細(xì)晶強化

細(xì)晶強化(或晶界強化)是唯一既能提高鋼的強度又能提高塑韌性的強化方式，其本質(zhì)為多晶體中位錯的運動受到了晶界的阻礙。隨著對馬氏體層狀結(jié)構(gòu)的深入研究，一些學(xué)者提出馬氏體板條塊(block)的尺寸應(yīng)視為材料的“有效”晶粒尺寸；劍橋大學(xué)的Galindo-Nava E I等則將板條塊界面視為可有效阻止位錯運動的馬氏體亞結(jié)構(gòu)單元，同時給出了馬氏體基體對鋼室溫屈服強度貢獻(xiàn)量的定量計算公式。

式中：σMart為板條馬氏體基體對室溫屈服強度貢獻(xiàn)量；dblock為馬氏體板條塊的平均尺寸；300為Hall-Petch常數(shù)值；M為Taylor取向因子；μ為剪切模量；b為伯氏矢量；ρ為位錯密度。

此外，相關(guān)研究表明，引入具有高晶格缺陷密度的顯微組織、增加相界面比表面積可作為廉價、有效的強化工藝。對于多晶材料而言，在金屬晶體中平面不連續(xù)的晶界及相界在調(diào)控力學(xué)性能方面十分有效，但由于晶界的低熱穩(wěn)定性和高移動性，其在高溫或機械載荷的外加作用下可能使晶粒粗化。近期，相關(guān)研究證實,等溫多向鍛造技術(shù)可通過細(xì)化晶粒增加鋼中位錯密度，同時提升高強度不銹鋼的屈服強度、塑性及沖擊韌性。

3.1.5 時效強化

時效處理過程中，第二相(沉淀相)顆粒從過飽和馬氏體基體中脫溶，在基體中形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)或亞穩(wěn)態(tài)過渡相。對于與基體保持共格關(guān)系的納米級析出相，其強化機理按其尺寸大小和與位錯的相互作用關(guān)系可分為Orowan位錯繞過機制和切過機制。

LI K等在研究一種低晶格錯配度無Co馬氏體時效鋼時提出，鋼中析出相顆粒與位錯的交互作用采用何種機制取決于顆粒的尺寸，其判定可借助式(3)所示的析出相臨界尺寸dc計算公式完成。

式中：c為矯正因子。當(dāng)?shù)诙囝w粒尺寸小于該臨界尺寸時，其強化機制主要為切過機制；而大于該值時，主要為繞過機制。

高強不銹鋼已呈現(xiàn)出多種類型析出相復(fù)合強化的趨勢。一般而言，碳化物析出相的硬度較高而金屬間化合物的硬度較低，位錯與兩者的交互作用機制不同，切過機制和繞過機制耦合共同強化可使鋼達(dá)到更高的強度級別。現(xiàn)有文獻(xiàn)中已報道了利用不同種類金屬間化合物強化、不同種類碳化物強化以及金屬間化合物和碳化物復(fù)合強化的試驗鋼。此外，相關(guān)研究證實，在一種復(fù)合析出強化馬氏體時效不銹鋼中，富Mo相(R′相)與η相的析出過程中發(fā)生交互作用，形成了獨特的核殼結(jié)構(gòu)，可有效提高其抗過時效能力。另一方面，基體調(diào)幅分解產(chǎn)生的富Cr α′相則單獨彌散分布于基體中。

筆者團隊近期報道了一種由M2C碳化物、Laves相及由高Cr基體在時效處理過程中發(fā)生調(diào)幅分解后產(chǎn)生的α′-Cr相復(fù)合析出強化的、兼具良好塑性的新型2.2GPa級超高強度不銹鋼(0.2C-9Cr-4.2Ni-3.1Mo-15.2Co-0.3V-0.9W)。圖6所示為該鋼時效態(tài)試樣APT表征結(jié)果，可見，該鋼基體中析出了大量平均尺寸為2~5nm的富Cr相以及平均尺寸在10nm左右的富Cr、Mo金屬間化合物，在馬氏體板條(Martensitic lath, ML)界處同樣存在富Cr、Mo的碳化物及薄膜狀逆轉(zhuǎn)變奧氏體析出(圖6(b))。由于Cr元素在馬氏體板條界面處富集，導(dǎo)致界面兩側(cè)分別形成數(shù)個納米寬的貧Cr微區(qū)，可造成試驗鋼耐蝕性下降。該鋼復(fù)合析出強化及經(jīng)二次時效后強塑性同時提高的機制仍在進(jìn)一步研究中。

有研究表明，引入低錯配度析出相(如β-NiAl相)可有效提升馬氏體時效鋼的強塑積，這是由于當(dāng)納米級析出相與基體的錯配度較低時，即需要更高的應(yīng)力和應(yīng)變使析出相脫離基體。JIANG S等在18Ni馬氏體時效鋼的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種低成本、依靠超低錯配度β-Ni(Al,Fe)強化的新型高強鋼，其利用β相低界面能、高反相疇界能的特性，以達(dá)成其在時效過程中的“爆發(fā)式”強有序共格析出。超低錯配度保證了超高密度析出相的形成，快速均勻的析出在時效過程中保留了大量相變過程中形成的自由位錯，據(jù)悉此類超低錯配度第二相顆粒沉淀硬化機制也已成功應(yīng)用于高強度馬氏體二次硬化鋼、高熵合金以及塊體非晶合金中。

對于高強度不銹鋼而言，除了上述談到的細(xì)化晶?？梢蕴岣唔g塑性外，通過析出一定數(shù)量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體也是非常重要的手段。在時效的不同階段，均存在析出相和逆轉(zhuǎn)變奧氏體的析出現(xiàn)象，析出相與逆轉(zhuǎn)變奧氏體的析出行為具有十分緊密的聯(lián)系。當(dāng)鋼中析出相含有奧氏體穩(wěn)定元素時，例如η相、β相，在時效初期(欠時效)析出相和逆轉(zhuǎn)變奧氏體在析出過程中會競爭Ni原子，因此，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的析出受到了輕微的抑制。同時，存在析出相和逆轉(zhuǎn)變奧氏體在時效初期相互獨立析出的現(xiàn)象。隨著時效溫度的升高和時間的延長，穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的析出相會在逆轉(zhuǎn)變奧氏體長大的過程中逐步溶解，提供前者所需的Ni原子。此外，相關(guān)研究表明0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼在兩相區(qū)時效時，未含有奧氏體穩(wěn)定元素的析出相(Cr23C6)和逆轉(zhuǎn)變奧氏體共同析出于馬氏體板條界。碳化物析出過程的Cr元素富集促進(jìn)了Ni元素在逆轉(zhuǎn)變奧氏體形核位點的偏聚。

另外， Nakada N等對逆轉(zhuǎn)變奧氏體與原奧氏體及馬氏體基體的位向關(guān)系及逆轉(zhuǎn)變奧氏體形貌特征的研究表明，在遵循K-S關(guān)系的前提下，由于奧氏體在{111}γ晶面族的三重對稱性，1個packet中的12種逆轉(zhuǎn)變奧氏體變體可被分為2個大類，這兩類變體具有孿生關(guān)系。鋼中高穩(wěn)定性、彌散分布的細(xì)小奧氏體組織在進(jìn)一步提高材料裂紋抗力的同時，可作為有效的氫陷阱，降低裂紋尖端氫濃度值，從而提高鋼的氫致開裂型應(yīng)力腐蝕開裂抗力。

針對高強度不銹鋼氫脆行為的研究主要著眼于對不同熱處理狀態(tài)鋼中氫陷阱及其氫脆敏感性的表征和計算。相關(guān)試驗結(jié)果證實，17-4PH鋼中富Cu相和基體的相界面可視為氫陷阱。伴隨著固溶溫度的升高，原奧氏體界面減少，Cu在基體中的固溶度升高，導(dǎo)致了此后的淬火及時效過程中更高數(shù)密度富Cu相的析出，一定比例的原奧氏體界面和析出相可有效提高該鋼的氫脆抗力。由于17-4PH鋼中的富Cu相與基體的界面為非共格界面，相較于PH13-8Mo鋼中與基體共格的β-NiAl相，其對氫原子的釘扎能力更強，因此，峰時效態(tài)PH13-8Mo鋼相較峰時效態(tài)17-4PH鋼具有更高的表觀氫擴散系數(shù)和更低的溶解度。

針對鍛態(tài)和3D打印態(tài)17-4PH鋼氫脆敏感性的對比研究證實，打印態(tài)試樣的氫脆敏感性高于鍛態(tài)試樣。3D打印態(tài)17-4PH鋼由于高冷速、高加熱速率，抑制了奧氏體的形成并將δ-鐵素體保留到了室溫，而鍛態(tài)鋼基體可獲得更多的板條馬氏體，打印態(tài)試樣由于晶粒尺寸較大，導(dǎo)致了裂紋更易萌生和擴展，從而提高了其氫脆敏感性。

對比不同時效工藝PH13-8Mo鋼的氫脆抗力及斷口形貌，發(fā)現(xiàn)高溫、長時間等溫時效過程中，大量穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成有效降低了氫在鋼中的擴散及在界面和應(yīng)力集中區(qū)域的偏聚，從而提高了鋼的氫脆抗力。

值得一提的是，為了克服TDS試樣和宏觀力學(xué)性能表征試樣的尺寸不匹配問題， Snir Y等使用微沖擊試驗方法研究了氫對于不同時效狀態(tài)下PH13-8Mo鋼力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，由于β-NiAl相對氫的釘扎能較低，逆轉(zhuǎn)變奧氏體對于試驗鋼氫脆行為的影響起主要作用。

Ifergane S等對氫原子在不同熱處理狀態(tài)的Custom465鋼中擴散行為進(jìn)行了表征，其結(jié)果表明，淬火態(tài)試樣中因不存在析出相及大量的奧氏體組織，內(nèi)部氫原子的擴散系數(shù)約為時效態(tài)試樣的10倍。峰時效態(tài)(H900)試樣中析出了大量η-Ni3Ti相及一定量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，兩者作為氫陷阱降低了氫在鋼中的擴散系數(shù)；與基體半共格的η-Ni3Ti相具有較大的比表面積，且其周圍具有較強的應(yīng)力場，相較于逆轉(zhuǎn)變奧氏體，其對于氫原子的捕獲能力更強。Custom465鋼中棒狀η相的析出將使其在析出位點處與基體產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，其對氫原子的捕獲作用取決于圍繞析出相的彈性應(yīng)力場與固溶氫原子的交互作用。

結(jié)合相關(guān)試驗數(shù)據(jù)及對與基體保持共格關(guān)系的η相引起的彈性應(yīng)力場與氫原子的交互作用情況的模擬研究表明，在η相周圍不同區(qū)域存在壓縮和拉伸靜水應(yīng)力場，其提高了析出相作為可逆氫陷阱時能夠捕獲氫原子的平均濃度、降低了氫原子的表觀擴散系數(shù)。隨著溫度的上升，彈性應(yīng)力場的減弱會造成所捕獲氫原子平衡濃度的降低。

因此，共格析出相數(shù)量的增加會提升可逆氫陷阱捕獲氫原子的濃度。筆者團隊通過延長時效時間、提高時效溫度調(diào)控微觀組織的方法大幅度提高了Custom465鋼的氫脆抗力。如圖7所示，通過TEM表征揭示了Custom465鋼在過時效處理過程中存在富Ni的η相逐步溶解進(jìn)入逆轉(zhuǎn)變奧氏體的現(xiàn)象(逆轉(zhuǎn)變奧氏體中Ni、Ti含量遠(yuǎn)高于基體，如圖7(d)和(e)所示)。由于η相溶解進(jìn)入逆轉(zhuǎn)變奧氏體，Ni元素進(jìn)一步配分進(jìn)入逆轉(zhuǎn)變奧氏體提高了其化學(xué)穩(wěn)定性，使其可作為鋼中穩(wěn)定的良性氫陷阱，從而極大降低了鋼的氫脆敏感性。

由于高強度不銹鋼的基體組織一般由板條馬氏體構(gòu)成，氫在馬氏體中的擴散速率遠(yuǎn)高于在奧氏體中的擴散速率(奧氏體中為10^-15~ 10^-16 m²/s，馬氏體中為10^-10~10^-12m²/s)，且氫在馬氏體中的溶解度較低，這同樣導(dǎo)致了此類鋼較高的氫脆敏感性。與此相對，奧氏體對于氫具有較高的溶解度且可作為一種不可逆的氫陷阱而有效阻止氫原子向材料內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)域的擴散。

因此，通過合金成分和相應(yīng)熱處理工藝對鋼中奧氏體含量及形貌進(jìn)行調(diào)控被認(rèn)為是一種有效提高高強鋼氫脆抗力的方法。與此同時，氫可有效降低層錯能(Stacking fault energy, SFE)從而減少在外加應(yīng)力作用下奧氏體向馬氏體相變所需能量。相關(guān)研究表明低碳馬氏體不銹鋼S41500充氫試樣準(zhǔn)解理斷口裂紋沿著回火馬氏體和因發(fā)生TRIP效應(yīng)形成的新生馬氏體的界面擴展，這是由于逆轉(zhuǎn)變奧氏體釘扎的多數(shù)氫原子在相變過程中主要偏聚于上述界面，而非原奧晶界處，因此并未形成沿晶斷裂形貌。

然而，由于高強度不銹鋼中同時存在大量不同種類的氫陷阱，且目前分析表征方法有限，仍很難定量確定各類氫陷阱對于高強度不銹鋼的氫脆敏感性的影響。因此，不同強度級別、具有不同種類強化相的高強度不銹鋼的氫脆敏感性影響因素仍待系統(tǒng)而深入的研究。

在未來的發(fā)展中以下幾個方面將是值得深入研究的方向：