第三代先進高強度鋼（AHSS）因兼具高強韌性、優異焊接成形性及輕量化特性，被廣泛應用于汽車、橋梁、海洋工程等領域，其中超細貝氏體（UFB）鋼與淬火分區（Q&P）鋼作為典型代表，其高強度BCC硬相+高塑性FCC軟相的多相結構進一步賦予了材料優良性能。然而，這類鋼在海洋環境服役時，不僅需承受自身載荷與外部應力，還會受到海水中腐蝕性離子的侵蝕，極易引發應力腐蝕開裂（SCC），最終導致材料斷裂失效，因此需要探究典型AHSS在海洋環境中的應力腐蝕開裂行為及機制，為其在海洋工程等嚴苛環境中的安全應用提供理論支撐。

近日武漢科技大學研究團隊研究了相同成分的超細貝氏體鋼和調質鋼在預應變(1σS)下的應力腐蝕行為，明確了預應變通過TRIP效應改變微觀結構對SCC的作用，發現Q&P鋼SCC敏感性更高，并證實了電化學-力學耦合機制。相關研究結果以“Mechanistic insight into pre-strain influenced stress corrosion cracking of advanced high-strength steels in marine environment”為題被發表在了期刊《Corrosion Science》上。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113057

【核心內容】

該研究以超細貝氏體UFB鋼和淬火分區Q&P鋼為對象，探究海洋環境中預應變（1σs）對其應力腐蝕開裂（SCC）的影響，發現預應變經TRIP效應降低了兩種鋼殘余奧氏體含量并提升位錯密度，加劇材料的應力集中與微電偶腐蝕以加速裂紋形核。UFB鋼中穩定殘余奧氏體膜可鈍化裂紋、降低SCC敏感性，而Q&P鋼因含更多低穩定性殘余奧氏體塊，SCC敏感性更高，其在海水環境中伸長率僅4.6%，預應變后2.2%。有限元模擬證實了電化學-力學耦合機制，明確了微觀結構對兩種鋼SCC行為的調控作用及應力腐蝕斷裂機制。

圖形摘要

【研究方法】

該研究圍繞超細貝氏體（UFB）鋼與淬火分區（Q&P）鋼的應力腐蝕開裂行為，采用“材料制備-微觀表征-性能測試-數值模擬”的綜合研究方法，以成分為0.4C-1.50Si-1.50Mn-0.25Mo-0.016Nb-Fe（wt%）的鋼為原料，通過差異化熱處理獲得UFB和Q&P鋼。其中UFB鋼在950℃奧氏體化30min，并在350℃保溫4h后空冷獲得，Q&P鋼在950℃奧氏體化后在190℃淬火2min+450℃回火5min后空冷獲得。

鋼材的熱處理工藝

研究使用了SEM、XRD、TEM、EBSD觀察了兩種鋼的微觀形貌、物相組成及結構轉變，用拉曼光譜分析腐蝕產物成分。在3.5wt.%的NaCl溶液中對鋼材進行電化學測試，以0.1mm/min應變速率進行慢應變拉伸（SSRT）測試，在5wt.%的NaCl和35±2℃條件下進行中性鹽霧測試，分別對腐蝕性能、應力腐蝕敏感性及腐蝕速率與產物演變進行分析。最后構建模擬海水環境中電化學-力學耦合效應，驗證相關機制。

（a）應力腐蝕有限元模型，（b）網格劃分

【研究結果】

① 微觀結構變化

預應變通過TRIP效應使UFB鋼和Q&P鋼中的殘余奧氏體（RA）含量分別從6.22%和5.25%降至1.77%和1.46%，位錯密度與Σ3晶界含量升高，小于5μm的晶粒占比均超過92%。其中UFB鋼微觀結構更均勻，而Q&P鋼中含有更多的低穩定性RA塊體。

未預應變鋼的微觀組織

鋼的EBSD圖：（a，b）常規鋼，（c，d）1σs預應變鋼

② 電化學與腐蝕性能

預應變后兩種鋼腐蝕電流密度均升高，其中UFB由1.976×10??A?cm²升高為3.139×10??A?cm²，Q&P由2.001×10??A?cm²升高至2.894×10??A?cm²。中性鹽霧測試中，Q&P鋼腐蝕速率高于UFB鋼，且其銹層α/γ*更低、保護性更差，預應變進一步降低了兩者的耐蝕性。

鋼在3.5 wt.% NaCl溶液中的動電位極化曲線

③ 應力腐蝕開裂（SCC）行為

Q&P鋼SCC敏感性顯著高于UFB鋼，海水環境中Q&P鋼伸長率僅4.6%，預應變后2.2%，海水環境中UFB鋼伸長率為12.2%，預應變后為10.3%。UFB鋼在空氣與海水均呈韌性斷裂，而Q&P鋼海水環境為韌脆混合斷裂，兩者裂紋均穿晶擴展。

（a）鋼材在空氣中和模擬海水環境中的應力-應變曲線，以及（b）鋼材的SCC敏感性

鋼斷口剖面裂紋的EBSD圖：（a，b）在空氣中，（c，d）在3.5%NaCl溶液中，（e，f）預應變1σs在3.5%NaCl溶液中

常規和預應變鋼TEM圖像

④ 機制與模擬驗證

預應變通過TRIP效應加劇了應力集中與微電偶腐蝕并加速裂紋形核，而UFB鋼中由于RA膜可鈍化裂紋。與實驗結果一致，有限元模擬1σs預應變下Q&P鋼局部電流密度為0.033A/mm²，遠高于UFB鋼中0.0072A/mm²。

UFB鋼應力腐蝕有限元模擬

模擬海水環境下預應變對鋼材SCC敏感性的影響示意圖

【總  結】

該研究中預應變經TRIP效應降低殘余奧氏體含量并提升位錯密度，加劇應力集中與微電偶腐蝕以加速裂紋形核。UFB鋼因微觀均勻且穩定殘余奧氏體膜可鈍化裂紋，SCC敏感性較低，Q&P鋼因低穩定性殘余奧氏體塊更多、銹層保護性差，SCC敏感性更高，有限元模擬與實驗結果吻合，該研究為闡明AHSS在海洋環境中的SCC失效機制及結構設計優化提供理論支撐。