Corros. Sci.：穩定的Cr-Ni-Mn-N奧氏體不鏽鋼中碳對氫脆的影響

【引言】

氫氣是未來可再生能源極具吸引力的候選之一，許多國家計劃建立氫能站，分配能源。但是氫能站許多工件會暴露於氫氣中並遭受氫脆化（HE），其表現為材料的延展性和韌性嚴重降低。因此，抗氫脆性是工件最重要的特性之一，而具有如此應用潛力的一種合金是不鏽鋼（STSs）。

導致HE的主要因素是氫的擴散係數和溶解度，低擴散性抑制氫氣進入材料，大溶解度降低了材料內氫的偏析傾向。因此，與鐵素體STSs相比，具有較低擴散係數和較大的氫溶解度的奧氏體STSs，更不易受到HE的影響。但是控制這些因素並不能完美解決HE。一些奧氏體鋼在變形誘發的馬氏體轉變中易受氫氣侵蝕，此外HE也會發生在穩定的奧氏體STSs中。因此，一些研究調查了合金元素對HE趨勢的直接影響，還有一些研究將穩定的奧氏體鋼的HE趨勢與HE機制聯繫起來等等。總之，難以只用奧氏體STSs中的一種理論來解釋HE。

【成果簡介】

近日，韓國浦項科技大學的Sung-Joon Kim（通訊作者）等人在Corrosion Science上發表了一篇名為「The effect of carbon on hydrogen embrittlement in stable Cr-Ni-Mn-N austenitic stainless steels」的文章，研究人員通過在穩定的奧氏體不鏽鋼中添加0.02或0.1wt.%的C來研究碳濃度對氫脆的影響。在變形期間，兩種不同C濃度鋼都出現明顯的平面滑移和細小的位錯結構，其後出現機械孿晶。在氫氣預充之後，具有較高C濃度的合金更容易發生氫脆。基於應變硬化行為，研究人員提出C增強了平面滑移，改善了機械孿晶。因此，較高的C濃度導致更多的位點，用於應力集中和氫捕獲，並加速脆化。

【圖文導讀】

圖1不同C含量的未充氫氣和預充氫氣試樣的拉伸性能

（a）工程應力應變曲線；

（b）應變硬化速率曲線。

圖20.02C和0.1C固溶熱處理後未變形試樣和SSRT後的未充氫氣和預充氫氣試樣的的XRD光譜

結果表明，無論預充氫和碳含量如何，經過熱處理和變形後，完全為奧氏體組織。

圖3 變形期間的微觀結構演化（EBSD帶對比圖）

（a）不充氣0.02C，未變形；

（b）不充氣0.02C，ε= 0.3；

（c）不充氣0.02C，斷口；

（d）不充氣0.1C，未變形；

（e）不充氣0.1C，ε= 0.3；

（f）不充氣0.1C，斷口。

圖4 細位錯結構和機械孿生演化與應變（明場TEM圖像）

（a）不充氣0.02C，ε= 0.3；

（b）不充氣0.02C，斷口；

（c）不充氣0.1C，ε= 0.3時；

（d）不充氣0.1C，斷口。

帶軸始終平行於<100>fcc。HDDW：高密度位錯牆。

圖5 0.02C試樣拉伸斷口的形貌分析（SEM）

（a）不充氣拉伸試樣中心處的宏觀圖像；

（b）不充氣拉伸試樣中心處的微觀圖像；

（c）不充氣拉伸試樣邊緣的微觀圖像；

（d）預充氣拉伸試樣中心處的宏觀圖像；

（e）預充氣拉伸試樣中心處的微觀圖像；

（f）預充氣拉伸試樣邊緣的微觀圖像。

圖6 0.1C試樣拉伸斷口的形貌分析（SEM）

（a）不充氣拉伸試樣中心處的宏觀圖像；

（b）不充氣拉伸試樣中心處的微觀圖像；

（c）不充氣拉伸試樣邊緣的微觀圖像；

（d）預充氣拉伸試樣中心處的宏觀圖像；

（e）預充氣拉伸試樣中心處的微觀圖像；

（f）預充氣拉伸試樣邊緣的微觀圖像。

圖7 0.02C試樣拉伸斷裂後側視圖的形貌分析（SEM）

（a）不充氣拉伸試樣的宏觀圖像；

（b）不充氣拉伸試樣的微觀圖像；

（c）預充氣拉伸試樣的宏觀圖像；

（d）預充氣拉伸試樣的微觀圖像。

圖8 0.1C試樣拉伸斷裂後側視圖的形貌分析（SEM）

（a）不充氣拉伸試樣的宏觀圖像；

（b）不充氣拉伸試樣的微觀圖像；

（c）預充氣拉伸試樣的宏觀圖像；

（d）預充氣拉伸試樣的微觀圖像。

圖9 試樣拉伸斷裂後側視圖的形貌分析（SEM）

（a）預充氣0.02C，滑移面；

（b）預充氣0.02C，晶粒內的微孔和微裂紋；

（c）預充氣0.02C，沿滑移面的裂紋；

（d）預充氣0.1C，晶粒內的微孔和微裂紋；

（e，f）預充氣0.1C，沿滑移面的裂紋。

【小結】

在穩定的20Cr-11Ni-5Mn-2Mo-0.5Si-0.3N奧氏體STSs中研究了碳對氫脆的影響。

（1）碳增加了平面滑移趨勢，導致形成諸如HDDWs的細小位錯結構，導致線性應變硬化機制。

（2）當流動應力克服機械孿生的臨界應力時，孿生開始發生。孿晶的臨界應變以及形態取決於合金中的碳濃度。

（3）合金抗氫脆性的高電阻歸因於穩定的奧氏體以及淺氫擴散深度。

（4）0.1C具有更多的HDDWs，孿晶和晶界的交叉點，作為應力集中和/或捕集氫的位置，並且與0.02C相比，預充氣時會形成更活躍的微孔和微裂紋。

（5）阻氫性能不僅與奧氏體穩定性有關，也與平面滑移趨勢有關。因此，需要進一步研究奧氏體的變形機理，以設計用於氫環境的奧氏體不鏽鋼。

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