【引言】

    加工或服役過程中，氫原子會吸附于金屬表面，并滲透、擴散、聚集于某些部位，造成宏觀塑性和強度明顯降低，即氫脆現(xiàn)象。近年來由于氫能源行業(yè)快速發(fā)展，對于服役于氫環(huán)境的抗氫材料的性能提出了更高的要求。300系列奧氏體不銹鋼因其較高抗氫脆性和和焊接性被廣泛應(yīng)用于含氫環(huán)境的承載構(gòu)件。

    與奧氏體相比，氫在α′馬氏體中的擴散系數(shù)較高但溶解度較低，因此，不銹鋼中馬氏體的存在會增加材料的氫脆敏感性。再者，亞穩(wěn)定奧氏體不銹鋼在塑性變形過程中會經(jīng)歷從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;′馬氏體的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，遭受較嚴重氫脆。許多前期研究發(fā)現(xiàn)氫對應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變和斷裂機制有明顯影響。

    焊接過程中復(fù)雜的熱循環(huán)使焊縫金屬具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)影響氫傳輸并導(dǎo)致焊縫金屬有較高的氫脆敏感性。因此，研究氫對奧氏體不銹鋼焊接接頭性能和失效機制的影響對理解奧氏體不銹鋼氫脆尤為重要。

    【成果簡介】

    近日，天津大學材料學院研究人員李曉剛、龔寶明（通訊作者）、鄧彩艷（通訊作者）和李一哲在Corrosion Science發(fā)表題為名為“Failure mechanism transition of hydrogen embrittlement in AISI 304 K-TIG weld metal under tensile loading”的研究論文。研究人員通過對焊接接頭進行不同電流密度的預(yù)充氫來研究氫-馬氏體相變耦合作用下奧氏體不銹鋼接頭氫脆失效機制的轉(zhuǎn)變。充氫電流密度從10 mA/cm2增加至100 mA/cm2，氫含量升高，接頭均失效于焊縫，脆性區(qū)失效模式從準解理/解理失效轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐В芯咳藛T提出這種失效模式的轉(zhuǎn)變與不同氫含量下應(yīng)力誘發(fā)α′馬氏體形成位置的改變有關(guān)。低電流密度（<50 mA/cm2）下應(yīng)力誘發(fā)馬氏體均勻形成于奧氏體晶粒內(nèi)部，裂紋于晶內(nèi)起裂、擴展；高電流密度（>50 mA/cm2）下晶界氫富集嚴重，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體形成于晶界，晶界應(yīng)變集中嚴重裂紋優(yōu)先于晶界起裂、擴展最終沿晶失效。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 不同充氫電流密度下試樣中氫含量

    （a）升溫脫氫分析（b）氫含量

    圖2 不同充氫電流密度下試樣拉伸性能

    （a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線（b）伸長率δ和氫脆敏感指數(shù)δHE（c）斷面收縮率Ψ和氫脆敏感指數(shù)ΨHE

    圖3 不同充氫電流密度試樣斷口全貌和斷口側(cè)面（SEM）

    圖4 不同充氫電流密度試樣斷口形貌（SEM）

    （a）未充氫試樣斷口（b）（e）（h）（k）充氫試樣斷口脆/塑性區(qū)邊界（c）（f）（i）（l）充氫試樣斷口斷口脆性區(qū)（d）（g）（j）（m）充氫試樣斷口斷口塑性區(qū)

    圖5 不同充氫電流密度下試樣EBSD分析

    （a）晶粒取向分布圖（b）Kernel平均取向差分

    圖6 充氫電流密度10 mA/cm2試樣斷裂后TEM分析

    （a）形變孿晶（b）α′馬氏體

    圖7 充氫電流密度30 mA/cm2試樣斷裂后TEM分析

    （a）形變孿晶和α′馬氏體（b）低密度位錯

    圖8 充氫電流密度50 mA/cm2試樣斷裂后TEM分析

    （a）高密度堆垛層錯（b）脆性區(qū)內(nèi)部解理斷裂處（對應(yīng)圖4（h））晶內(nèi)α′馬氏體（c）脆性區(qū)接近試樣表面沿晶斷裂處（對應(yīng)圖4（i））晶界α′馬氏體（d）沿α′馬氏體裂紋

    圖9 充氫電流密度100 mA/cm2試樣斷裂后TEM分析

    （a）晶界附近α′馬氏體（b）晶界附近高密度位錯（c）晶界附近孿晶

    圖10 低充氫電流密度下接頭氫脆失效機理圖

    圖11 高充氫電流密度下接頭氫脆失效機理圖

   【小結(jié)】

    通過對AISI 304奧氏體不銹鋼焊接接頭中氫含量對拉伸斷裂失效機制的影響，主要得到如下結(jié)論：

    （1）氫導(dǎo)致接頭嚴重的宏觀塑性和強度損失，且這種損失隨充氫電流密度的增加而增加，充氫電流密度超過50 mA/cm2，塑性和強度損失達到最大；（2）充氫電流密度從10 mA/cm2增加至100 mA/cm2，脆性區(qū)失效模式從準解理/解理失效轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐В唬?）這種失效模式的轉(zhuǎn)變與晶界附近出現(xiàn)的高密度位錯、嚴重局部氫富集、應(yīng)力誘發(fā)α′馬氏體、形變孿晶的相互作用有關(guān)。

    文獻鏈接：Failure mechanism transition of hydrogen embrittlement in AISI 304 K-TIG weld metal under tensile loading（Corros. Sci.,November 8,2017,DOI：10.1016/j.corsci.2017.10.032）

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責任編輯：王元

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