第三代先進高強度鋼（AHSS）因兼具高強韌性、優(yōu)異焊接成形性及輕量化特性，被廣泛應(yīng)用于汽車、橋梁、海洋工程等領(lǐng)域，其中超細(xì)貝氏體（UFB）鋼與淬火分區(qū)（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(jié)構(gòu)進一步賦予了材料優(yōu)良性能。然而，這類鋼在海洋環(huán)境服役時，不僅需承受自身載荷與外部應(yīng)力，還會受到海水中腐蝕性離子的侵蝕，極易引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂（SCC），最終導(dǎo)致材料斷裂失效，因此需要探究典型AHSS在海洋環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂行為及機制，為其在海洋工程等嚴(yán)苛環(huán)境中的安全應(yīng)用提供理論支撐。

近日武漢科技大學(xué)研究團隊研究了相同成分的超細(xì)貝氏體鋼和調(diào)質(zhì)鋼在預(yù)應(yīng)變(1σS)下的應(yīng)力腐蝕行為，明確了預(yù)應(yīng)變通過TRIP效應(yīng)改變微觀結(jié)構(gòu)對SCC的作用，發(fā)現(xiàn)Q&P鋼SCC敏感性更高，并證實了電化學(xué)-力學(xué)耦合機制。相關(guān)研究結(jié)果以“Mechanistic insight into pre-strain influenced stress corrosion cracking of advanced high-strength steels in marine environment”為題被發(fā)表在了期刊《Corrosion Science》上。

文章鏈接：

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

【核心內(nèi)容】

該研究以超細(xì)貝氏體UFB鋼和淬火分區(qū)Q&P鋼為對象，探究海洋環(huán)境中預(yù)應(yīng)變（1σs）對其應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)變經(jīng)TRIP效應(yīng)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(yīng)力集中與微電偶腐蝕以加速裂紋形核。UFB鋼中穩(wěn)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(wěn)定性殘余奧氏體塊，SCC敏感性更高，其在海水環(huán)境中伸長率僅4.6%，預(yù)應(yīng)變后2.2%。有限元模擬證實了電化學(xué)-力學(xué)耦合機制，明確了微觀結(jié)構(gòu)對兩種鋼SCC行為的調(diào)控作用及應(yīng)力腐蝕斷裂機制。

圖形摘要

【研究方法】

該研究圍繞超細(xì)貝氏體（UFB）鋼與淬火分區(qū)（Q&P）鋼的應(yīng)力腐蝕開裂行為，采用“材料制備-微觀表征-性能測試-數(shù)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，用拉曼光譜分析腐蝕產(chǎn)物成分。在3.5wt.%的NaCl溶液中對鋼材進行電化學(xué)測試，以0.1mm/min應(yīng)變速率進行慢應(yīng)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(yīng)力腐蝕敏感性及腐蝕速率與產(chǎn)物演變進行分析。最后構(gòu)建模擬海水環(huán)境中電化學(xué)-力學(xué)耦合效應(yīng)，驗證相關(guān)機制。

（a）應(yīng)力腐蝕有限元模型，（b）網(wǎng)格劃分

【研究結(jié)果】

① 微觀結(jié)構(gòu)變化

預(yù)應(yīng)變通過TRIP效應(yīng)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(jié)構(gòu)更均勻，而Q&P鋼中含有更多的低穩(wěn)定性RA塊體。

未預(yù)應(yīng)變鋼的微觀組織

鋼的EBSD圖：（a，b）常規(guī)鋼，（c，d）1σs預(yù)應(yīng)變鋼

② 電化學(xué)與腐蝕性能

預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂（SCC）行為

Q&P鋼SCC敏感性顯著高于UFB鋼，海水環(huán)境中Q&P鋼伸長率僅4.6%，預(yù)應(yīng)變后2.2%，海水環(huán)境中UFB鋼伸長率為12.2%，預(yù)應(yīng)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(huán)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(huán)境中的應(yīng)力-應(yīng)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(yù)應(yīng)變1σs在3.5%NaCl溶液中

常規(guī)和預(yù)應(yīng)變鋼TEM圖像

④ 機制與模擬驗證

預(yù)應(yīng)變通過TRIP效應(yīng)加劇了應(yīng)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(jié)果一致，有限元模擬1σs預(yù)應(yīng)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(yīng)力腐蝕有限元模擬

模擬海水環(huán)境下預(yù)應(yīng)變對鋼材SCC敏感性的影響示意圖

【總  結(jié)】

該研究中預(yù)應(yīng)變經(jīng)TRIP效應(yīng)降低殘余奧氏體含量并提升位錯密度，加劇應(yīng)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(wěn)定殘余奧氏體膜可鈍化裂紋，SCC敏感性較低，Q&P鋼因低穩(wěn)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(jié)果吻合，該研究為闡明AHSS在海洋環(huán)境中的SCC失效機制及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供理論支撐。