概要介绍
氢脆（HE）已成为开发高强钢的一个关键问题。奥氏体和富铜析出相可为扩散氢提供稳定的捕获位点，从而提高抗氢脆性。但关于铜（C u ）和奥氏体在低碳低合金钢中对HE的协同作用的研究还未见报道。本研究制造了四种不同C u 添加量（0-3 wt%）的钢，并评估了它们的抗HE能力。该研究通过充氢后夏比冲击试验获得的韧性-脆性转变温度（DBTT）值和慢应变速率拉伸（SSRT）试验测得的伸长率损失值来研究C u 添加量的作用。此外，还通过电化学氢渗透试验评估了氢扩散率和浓度。添加Cu后，有效扩散系数（D
eff ）、伸长率损失值和DBTT先减小后增大，添加1.5wt% Cu的钢达到了最小值，表明其具有更强的抗HE能力。所揭示的机理是，Cu的添加增加了残余奥氏体的含量，从而阻碍了变形过程中氢的扩散。但当残余奥氏体的含量达到较高值时，残余奥氏体的稳定性就会降低，从而导致马氏体转变，相应地增加了对HE的敏感性。此外，C u 的添加促进了富铜析出相的形成，其中与基体相干/半相干的铜簇/bcc富铜析出相可成为氢的强捕获点，而fcc富铜析出相则成为氢的弱捕获点。此外，在添加了1.5wt % Cu的钢中发现了较高的位错密度，这可能会导致较低的D
eff 值和较高的氢捕获密度（N
T ）。本研究表明，在设计高强钢时，添加Cu可增强钢在拉伸和冲击过程中的抗HE能力。 相关论文以题为“Response of hydrogen diffusion and hydrogen embrittlement to Cu addition in low carbon low alloy steel”发表在Materials Characterization 期刊上。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112478
图表浏览
图1 试样制备过程示意图
图2 电化学氢渗透电池示意图
图3 电化学充氢试验示意图
图4 经过临界热处理的实验钢扫描电镜（SEM）显微图像和相应的电子背散射衍射（EBSD）图像：(a,e) C0；(b,f) C1；(c,g) C1.5；(d,h) C3(绿色区域对应面心立方结构（FCC），灰色区域对应体心立方结构（BCC）)(有关本图例中颜色的解释，请读者参阅本文的网络版)
图5 经临界热处理的实验钢的(a) X射线衍射（XRD）图谱和(b) 残余奥氏体的体积分数
表1 实验钢在常温下的化学成分测量值和堆垛层错能（SFE）计算值
图6 钢的代表性透射电镜（TEM）显微图像：(a) C0，(b) C1，(c) C1.5，(d) C3，(e,f) 富铜析出相的高分辨率TEM（HRTEM）图像和矩形区域相应的快速傅立叶变换（FFT）图案，(g) 碳氮化物的X射线能谱（EDX），(h) 富铜析出相的EDX
图7 实验钢的氢渗透曲线：(a) 电流密度，(b) 归一化电流密度
表2 实验钢的氢渗透特性
图8 充氢和不充氢实验钢的工程应力-工程应变曲线：(a) C0，(b) C1，(c) C1.5，(d) C3，以及(e) 相应的伸长率损失值
图9 拉伸断裂后充氢实验钢的SEM断口图；(a) 拉伸试样图；(b) C0；(c) C1；(d) C1.5；(e) C3
图10 充氢和不充氢实验钢的夏比冲击功随温度的变化：(a) C1.5，未充氢；(b) C0，C1，C1.5，C3，充氢
图11 室温下冲击断裂后充氢实验钢的SEM断口图：(a) C0；(b) C1；(c) C1.5；(d) C3
图12 充氢实验钢的应变硬化率曲线
图13 用MWH方法评估实验钢的位错密度：(a) ~ ΔK，C0；(b) ~ ΔK，C1；(c) ~ ΔK，C1.5
图14 组织中的储氢示意图：(a) 残余奥氏体，(b) 富铜析出相，(c) 位错
全文结论
(1)添加Cu后，残余奥氏体的体积分数从2.4%增加到13.9%，Cu浓度从0%增加到3%，富铜析出相也是如此。此外，位错密度也随Cu含量的变化而变化。
(2) SSRT试验表明，随着Cu含量的增加，伸长率损失值先减小后增大。C1.5钢的伸长率最小，这表明其具有更高的抗HE性能。冲击试验表明，随着Cu含量的增加，DBTT的变化与伸长率损失值的变化相似。C1.5钢的DBTT值最小（-129 °C）。
(3) 氢渗透试验结果表明，与其他钢材相比，C1.5钢的氢捕获（NT）密度更高，有效扩散系数（Deff）更低。Cu的添加增加了残余奥氏体的比例，残余奥氏体的氢扩散率低于铁素体，从而减弱了氢的扩散。但随着残余奥氏体比例的增加，残余奥氏体的稳定性降低，导致马氏体相变，反而增加了HE的敏感性。
(4) Cu的添加增加了富铜析出相的含量，这些析出相的界面可以成为氢捕获位置，抑制氢的扩散。但随着富铜析出相晶体结构从团簇转变为BCC、FCC，储氢量也随之减少。此外，位错可为氢提供扩散路径，从而降低HE的敏感性。
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来源：学术期刊
