中錳鋼（Medium-Mn Steel）由于具備良好的強韌性匹配、加工性以及成本優勢，近年來在汽車輕量化、高強結構件中受到廣泛關注。特別是三相組織（鐵素體+馬氏體+殘余奧氏體）中錳鋼，因其具備穩定的力學性能與氫擴散行為調控潛力，被視為抗氫脆候選材料之一。

氫脆（Hydrogen Embrittlement, HE）作為高強鋼常見失效機制，其微觀機制受到材料組織、位錯密度、界面性質及氫陷阱行為的耦合影響。焊接過程中，熱輸入不僅引起材料組織變化，還可能改變氫在材料中的分布與陷阱狀態，進而影響氫脆敏感性。

傳統熔化焊熱影響區（HAZ）組織嚴重變化、氫易聚集，造成抗氫脆性能下降。相比之下，攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）作為一種固態連接方法，可在低熱輸入下連接中高強鋼，具有顯著組織細化效應，并可抑制氫濃縮，為提升抗氫脆性能提供可能。因此，明確FSW在不同微區對氫行為及脆化機制的影響規律，對高強中錳鋼焊接結構的服役可靠性提升具有重要意義。

本文采用中錳三相組織鋼（含10.6%Mn，1.1%Al，0.2%C），通過熱處理獲得兼具馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體的初始組織。采用常規FSW工藝（工具轉速400 rpm，焊接速率100 mm/min）制備對接接頭，并劃分焊縫為三個區域：Base Material (BM)-母材；Thermo-Mechanically Affected Zone (TMAZ)-熱-機械影響區；Stir Zone (SZ)-攪拌區。

隨后，分別對不同區域進行以下表征與分析：EBSD觀察組織演化；SIMS分析氫分布；熱脫附（TDA）與應力腐蝕試驗分析氫陷阱與斷裂行為；數值建模估算氫擴散行為與應力分布。

1. 微觀組織演化：強烈組織細化與相變行為

母材組織由較粗的馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體組成。FSW后：SZ區域出現極顯著的晶粒細化（平均粒徑~1.3 μm），同時殘余奧氏體含量顯著減少；TMAZ區域則保留部分奧氏體，組織呈現不均勻混合狀態；EBSD顯示，FSW誘發大量高角度晶界（HAGBs），有利于擴散但也可成為氫陷阱。

圖1. Fe-8Mn-0.2C-3Al-1.3Si（質量分數）鋼中母材與FSW焊縫樣品的EBSD結果：(a1 與 b1) IQ-相圖；(a2 與 b2) GOS圖；(a3 與 b3) γR殘余奧氏體的IQ-KAM圖；(a4 與 b4) α/δ鐵素體的IQ-KAM圖。(c) 晶粒尺寸分布，(d) 各相比例，(e) 動態再結晶/未再結晶晶粒比例，(f) 平均KAM值與單位面積低角度晶界（LABs, 2° ≤ θ ≤ 15°）總長度（μm?¹）的變化情況。在IQ-相圖/GOS圖中，黑色和藍色線分別表示高角度晶界（θ > 15°）與低角度晶界（LABs）；黃色箭頭標示位錯胞（dislocation cell）。ND：法向方向；RD：軋制方向；WD：焊接方向。

2. 氫濃度與分布：SZ區氫含量顯著降低

通過二次離子質譜（SIMS）分析可得：氫在母材與TMAZ區域集中顯著，在SZ區域則幾乎檢測不到高氫含量；TDA結果表明：SZ區域的高溫脫附峰顯著減少，說明FSW抑制了深陷阱的生成（如馬氏體位錯網絡與奧氏體-馬氏體界面）。

這一變化表明：組織細化與奧氏體減少，使氫陷阱減少，氫更難富集于SZ區域，從而提升抗氫脆性能。

3. 力學與斷裂行為：FSW顯著改善氫致斷裂韌性

母材在氫環境中表現出典型的脆性斷裂行為，斷口呈現準解理特征；而SZ區域在氫充入后仍表現出高的延展性與韌性，斷口以韌窩為主；斷裂多發生在TMAZ區域，成為潛在弱區，推測與氫局部富集及應力集中有關。

數值模擬也驗證了該結果：TMAZ區域應力集中嚴重，氫擴散梯度最大，結合氫陷阱分布最可能導致氫脆失效。

圖3 SSRT后（a1,2和b1,2）H-不帶電和（c1,2和d1,2）H-charged試樣的整體斷裂面和放大圖像：（a和c）基體金屬和（b和d）FSW試樣。ND：法線方向，TD：橫向，WD：焊接方向，TA：拉伸軸

本研究系統探究了FSW對中錳三相鋼氫脆敏感性及其機制的影響，結論如下：

FSW可顯著細化焊縫組織，降低RA含量，有效抑制氫陷阱形成；攪拌區（SZ）氫濃度最低，斷裂韌性最高，表現出優異抗氫脆性能；TMAZ成為氫誘導失效的敏感區，需重點優化工藝或后處理；提出“區域化氫脆機制模型”，為多相高強鋼焊接設計提供新理論基礎；

FSW為連接高強鋼構件提供了一種低氫脆風險的新型工藝路徑，尤其適用于對服役可靠性要求極高的結構件。