高强度低合金钢中纳米析出相对腐蚀行为影响的研究进展

高强度低合金钢中Nb、V和Ti等微合金化元素的纳米析出相对于调控钢的组织和性能具有重要作用,它可以确保钢基体同时拥有较高的力学性能和较强的耐蚀性能。本文基于国内外最新研究现状,系统阐述了纳米析出相在高强度低合金钢中的存在形态以及其对钢中氢扩散、均匀腐蚀、应力腐蚀开裂以及各类氢损伤等腐蚀行为的影响规律和机制。研究表明,纳米析出相对钢基体腐蚀行为的影响受其尺寸、数量和分布状态的控制。细小且与基体共格或半共格的纳米析出相不仅可以通过改善钢的微观组织（包括亚结构）提高耐蚀性能,其导致的不可逆氢陷阱及对氢扩散的强烈抑制作用还可以极大提高抗应力腐蚀和各类氢损伤的能力。而大尺寸的非共格析出相则可能恶化钢基体的耐蚀性能和促进氢损伤。最后展望了目前关注较少的纳米析出相对腐蚀疲劳影响的相关研究。明确纳米析出相对高强度低合金钢腐蚀行为的影响规律与机制将有助于更高品质耐蚀钢的开发和应用。      

Nb微合金化对Cr-Co-Ni-Mo系超高强度不锈钢腐蚀疲劳性能的影响

为探讨超高强度不锈钢的应力腐蚀开裂行为,采用Cr-Co-Ni-Mo系超高强度不锈钢为研究对象,利用OM、XRD、TEM等测试手段,结合腐蚀疲劳试验,研究了Nb微合金化对Cr-Co-Ni-Mo系超高强度不锈钢腐蚀疲劳性能的影响。结果表明,试验钢在3.5%NaCl溶液中具有一定的应力腐蚀敏感性,其应力腐蚀开裂机理为氢致开裂和阳极溶解的混合机制。Nb微合金化提高了钢的腐蚀疲劳性能,钢中添加0.11%的Nb后,钢的腐蚀疲劳强度由440 MPa提高至495 MPa,其主要原因是,Nb微合金化可以细化钢的晶粒尺寸,促进钢中不可逆氢陷阱NbC的析出,增加了钢中原奥氏体晶界总量、小角晶界所占比例、Σ3晶界数量、奥氏体体积分数等。     

非金属夹杂物对焊接氢致裂纹敏感性的影响及机理研究

本文详细研究了硫化物、氧化物等非金属夹杂物对10Ni5CrMoV低碳中合金高强度钢焊接氢致裂纹敏感性的影响及其机理。插销实验结果表明:细小弥散的非金属夹杂物明显提高焊接氢致裂纹抗力。对充氢试样的扩散氢及残余氢的测量结果得出:非金属夹杂物能作为氢的有效陷井而降低氢的表观扩散系数,提高残余氢含量。对HAZ相变行为的研究发现:细小弥散的非金属夹杂物能明显阻碍HAZ奥氏体晶粒长大,使M_s点提高,促进马氏体充分自回火,降低HAZ最高硬度。对实验结果的综合分析认为:细小弥散非金属夹杂物对低碳中合金高强度钢焊接氢致裂纹抗力的改善主要是由于这些夹杂物对HAZ相变行为产生影响的结果,而对HAZ中氢扩敌行为的影响则是次要因素。     

钢铁结构材料的组织细化

采用组织超细化提高钢铁结构材料的强细性和使用寿命是上个世纪90年代中期以来的发展趋势。介绍了我国973第一批项目之一“新一代钢铁材料重大基础研究”的主要5种超细化方法，适用于不同强度和显微组织的钢类：具有铁素体 珠光体(F P)的碳素或低合金钢，采用强力轧制和形变诱导铁素体相交(DIFT)技术；在薄板坯连铸连轧现代流程下，采用第二相(析出相)的纳米化控制；具有低碳贝氏体或针状铁素体的微合金钢采用形变诱导析出(DIP)和中温相交控制；采用调质处理的合金结构钢，应用新的合金设计思路以提高界面温度，增加氢陷阱和二次硬化路线，快速超细晶热处理的综合技术；发展无碳化物贝／马组织和富碳残奥薄膜以做到中低温回火合结钢的强韧化优良配合。     

氢对316H不锈钢拉伸性能的影响

摘要：采用慢应变拉伸试验研究了氢对时效前后316H不锈钢拉伸行为的影响，利用扫描电子显微镜观察了不同氢含量下光滑试样和缺口试样的断口形貌特征。结果表明，热处理状态不会对饱和氢含量产生显著的影响，具体来说，析出相及析出相/基体界面对饱和氢含量影响有限。氢增强了应变诱导的空位的产生，提高了合金的氢致面缩损减，降低了塑性。与固溶态韧窝状的断口形貌相比，时效后的断口形貌呈现“韧窝+二次裂纹+准解理”特征。可以推测，时效形成的σ相/基体界面作为氢的陷阱，其与应力集中共同作用，加剧了氢致塑性的损减。     

新型Cr-Co-Ni-Mo系马氏体时效不锈钢的强韧化机理

研究了由我国自行研制的Cr-Ni-Co-Mo系高强度马氏体时效不锈钢的强韧化机理.结果表明,该钢在535℃时效强度可达1 940 Mpa,KIC=141 Mpa·平方根m,此时钢中析出的大量、弥散、细小的Fe2Mo型Laves相是保持超高强度的主要原因;在纤细的马氏体板条界上有少量的残余奥氏体使钢具有较高的韧性.该钢具有优良的综合性能,特别适合于制造新一代高强高韧、承力的耐海洋环境腐蚀结构件,并在航天及航空领域潜在着应用前景.     

Fe?Mn?(Al)?C高强韧性钢氢脆微观机制的研究进展

随着汽车行业的快速发展,轻量化汽车用钢的研发和应用越来越广泛。抗拉强度超过1000 MPa的第二、三代汽车用钢往往是复相组织,通过固溶、析出、变形、细晶强化等各种强化方式,在基体中形成大量缺陷,导致钢材服役过程中对氢更加敏感,容易在很小的氢溶解条件下发生氢脆。Fe?Mn?C系、Fe?Mn?Al?C系等含Mn量高的汽车结构用钢因层错能较高,不仅直接决定了其强韧性机制,还对其服役性能有重要影响。在Fe?Mn?C系TWIP钢的成分基础上,添加少量Al元素,形成Fe?Mn?(Al)?C钢,不仅能降低钢材密度,提高钢材的强韧性,也因Al元素改变了钢材的微观组织构成,一定程度上令氢脆得到缓解。但当Al含量较高时,形成低密度钢,其组织构成更加复杂,析出物更多,导致氢脆敏感性更显著。本文从Fe?Mn?(Al)?C高强韧性钢的组织构成、第二相、晶体缺陷等特征出发,综述了H在Fe?Mn?(Al)?C钢中的渗透、溶解和扩散行为,H与基体组织、析出相、晶格缺陷的交互作用,H在钢中的作用模型、氢脆机制、氢脆评价手段和方法等。并评述了Fe?Mn?(Al)?C高强韧性钢氢脆问题开展的相关研究工作和最新发展动态,指出通过第一性原理计算、分子动力学模拟和借助氢原子微印技术、三维原子探针等物理实验相结合的方法是从微观层面揭示高强韧性钢氢脆机制的未来发展方向。      

Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢的研究进展

 轻量化且高强韧化已成为汽车用钢的主要发展方向。在不同类型的轻质钢中,Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢因具有更高的比强度和良好的塑韧性备受研究者们青睐。从成分体系与力学性能、多种强韧化机制、不同变形机制及工艺调控等方面总结了Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢的研究进展,重点阐述了奥氏体基低密度钢中特有的B2相以及κ-碳化物、MC碳化物等析出相的析出行为对强韧性机制的影响。最后,结合目前国内外学者对Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢的最新研究成果,对奥氏体基低密度钢进行了展望。     

钛含量对汽车用贝氏体-马氏体双相钢抗氢脆行为的影响

冶炼了三种不同钛含量（0、0.9%和1.8%）的贝氏体-马氏体双相钢，通过热处理调整试样中贝氏体含量使其保持相同的强度水平，借助电化学充氢和慢应变速率拉伸试验手段研究了贝氏体含量对贝氏体-马氏体双相钢抗氢脆行为的影响。试验结果表明，钛含量为1.8%的试验钢中具有最高的贝氏体含量和最优异的抗氢脆性能，这主要归因于渗碳体-铁素体界面位错等不可逆陷阱对氢原子的俘获作用。为了提高贝氏体-马氏体双相钢的抗氢脆能力，可增加贝氏体组织中细小渗碳体颗粒的数量，为塑性变形过程中氢的迁移提供更多的不可逆氢陷阱。     

析出相对高钴铬钼镍轴承齿轮钢抗氢脆性能的影响

以高钴铬钼镍轴承齿轮钢为实验材料,通过TDS测试、慢应变速率拉伸、微观分析等实验方法系统研究了实验钢的氢致断裂过程。结果表明,充氢导致实验钢强塑性明显下降,钢中的氢大部分为可扩散氢,由较弱的氢陷阱控制。通过对比2种实验钢的晶粒尺寸、板条尺寸、残余奥氏体数量、位错密度、析出相等,分析得到对实验钢抗氢脆性能的主要影响因素为碳化物密度和分布,弥散分布的细小碳化物更有利于提高抗氢脆性能。实验得出韧脆临界充氢条件,推断出临界氢含量,为部件的高可靠性安全服役提供了参考。     

晶粒尺寸对高锰奥氏体TWIP钢氢脆行为的影响

主要研究了晶粒尺寸对Fe- 17Mn- 1Al- 0.6C TWIP钢的氢脆行为的影响。原始材料经过不同的热处理制度,得到晶粒尺寸为17和45μm的材料。通过慢拉伸试验研究氢质量分数在0～0.001%材料的氢脆敏感性。试验结果表明,充氢后的试验材料比未充氢试验材料易发生氢脆,充氢后的试验材料断裂强度和断裂应变均降低。随着晶粒尺寸的增大,试验材料的氢脆敏感性增强。在氢质量分数为0.001%,晶粒尺寸增加到45μm时,应变损失率为17%,随着晶粒尺寸的增大,氢脆敏感性增加的原因是晶粒尺寸较大的材料孪晶较早出现,孪晶密度较大,同时单位晶界氢质量分数增加。     

Determination of Hydrogen in Steel by Thermal Desorption Mass Spectrometry

Hydrogen embrittlement has been observed since high‐strength steels have been produced in the nineteen thirties 1 . Several different analytical methods have been developed to quantify the total and diffusible hydrogen in steel, but many aspects of hydrogen determination are still to be explored. Purely quantitative determination of hydrogen is not sufficient to fully characterize the steel regarding its resistance against embrittlement. Thermal Desorption Mass Spectrometry (TDMS) allows the investigation of hydrogen absorption and desorption mechanisms to characterize hydrogen traps in different kinds of steel microstructures. This provides valuable information for the development of new materials with a higher resistance against hydrogen embrittlement. Additionally, TDMS allows the quantitative determination of very small concentrations of hydrogen (<0.1 µg/g). Such low detection limits cannot be reached with other methods. Due to time‐consuming analysis and a rather complex construction, TDMS is usually not applied for hydrogen determination in German steel mills. The present work describes the development of a thermal desorption spectrometer at ThyssenKrupp Steel Europe AG by adapting a compact quadrupole mass spectrometer to a commercially available hot solid extraction analyzer, which has proven to be a simple and efficient solution for the determination of diffusible hydrogen in steel.     

The hydrogen embrittlement of Fe-Ni martensites

Iron alloys containing 20 and 30 pct Ni and 3 to 4 cu cm H per 100 g metal have been subjected to slow strain-rate tensile tests in a study of hydrogen embrittlement. In the lower nickel massive martensite alloy, embrittlement is manifest as the cracking of prior austenite grain boundaries and is severe at room temperature but less marked at -196°C; while in the higher nickel acicular martensite alloy, the embrittlement observed at 20°C does not occur at —196°C. Hydrogen embrittlement in these materials is believed to be the result of high hydrogen contents in the vicinity of the prior austenite grain boundaries combined with stress concentrations caused by boundary perturbations which result from the impact of the martensite shears. During deformation, microcracks form and propagate in the prior austenite grain boundaries, probably assisted by internal hydrogen pressure and the lowering of crack surface energy by hydrogen adsorption. The temperature dependence and the effect of the type of martensite on the embrittlement can be explained by their effects on the hydrogen content and stress concentrations at prior austenite grain boundaries during deformation.     

铜冷却壁氢脆破坏现象的试验

 铜材氢脆现象是造成高炉铜冷却壁损坏的可能原因之一，但目前并未得到试验证实。模拟高炉工作环境对铜冷却壁材质进行了渗氢保温处理，在实验室条件下重现了高炉铜冷却壁氢脆现象，并采用金相显微观察、扫描电镜观察、氢氧质量分数检测及显微硬度测试等方法对铜冷却壁基体材质的微观形貌、元素质量分数及宏观使用性能等进行了表征。试验结果表明，在铜冷却壁异常工作条件下，将有可能产生铜材氢脆破坏作用；氢脆现象发生后，铜冷却壁内部将产生大量沿晶界分布的孔洞缺陷乃至晶界裂纹，且铜冷却壁宏观使用性能将出现显著下降；在炼铁生产中应严格控制铜冷却壁使用制度，防止氢脆现象发生以延长其寿命，保证高炉安全、稳定生产。     

Mechanisms of Hydrogen Induced Stress Crack Initiation and Propagation in Super Duplex Stainless Steels

Austenitic and ferritic duplex stainless steels, DSS, have recently suffered from hydrogen stress induced cracking, HISC, in subsea components with a cathodic protection. This paper provides discussions on possible HISC mechanisms. HISC initiation can occur at the ferritic grain boundaries and phase boundaries at a stress lower than the yield strength, but dominantly at phase boundaries at a stress higher than the yield strength. EBSD analysis shows that HISC in DSS results from the interaction between the dynamic plasticity by creep and hydrogen diffusion. A model on the formation of microstresses in these two phases under creep conditions is proposed, which explains why HISC occurs mainly in the ferritic phase. Discontinuous two‐dimensional HISC paths were observed. The austenitic phase acts as obstacles for crack propagation. The fracture covers “valleys” and “peaks” with the cleavage ferrite and the austenite with microfacets or striations due to the hydrogen‐enhanced localized‐plasticity.     

“直投法”应用于金属粉末样品中氧氮氢分析

详细讨论了应用“直投法”分析金属粉末样品中氧、氮、氢的方法。“直投法”不同于传统“包裹法”,差异在于投样方式不同。样品直投避免了包裹材料空白的影响,可以应用于高温合金粉、钢铁粉、镍粉、铜粉等样品中氧、氮、氢联测。实验从考察“直投法”和镍箔/锡箔、镍囊/锡囊之间空白值的差异开始,数据显示“直投法”空白最低,镍囊空白位居第二低。用JK47铁粉标样和502-903柱状钢标样标定直投法,列举大量高温合金粉末样品的应用实例,“直投法”的优势尽显其中。选择6种不同材质8个有代表性的样品,完成“直投法”与镍囊/锡囊“包裹法”对比试验,两者结果基本一致。但是,“直投法”不适用于钛粉、锆粉、铌粉、铬粉等“助熔剂依赖型”样品中氧、氮分析,以钛粉和钛块状样品作为考察对象:当样品无助熔剂包裹而直接投样时,可见氧、氮元素分析被严重干扰,产生数量级的差异。“直投法”对氢的分析例外,“助熔剂依赖型”样品同样适用,未见受到投样方法的影响,仅观察到当用锡包裹金属粉末样品时,氢测定值略微偏高的微小差异。“直投法”禁止用于镁粉和铝粉等活性金属中氧、氮、氢分析,无论粉末还是块状样品,“直投法”可能造成仪器被活性金属污染甚至瘫痪。     

钢中界面科学研究进展(Ⅱ)

 钢中界面的化学成分、晶体结构、电子结构及其在变形、加热等外部环境作用下的演变行为等都深刻影响着钢的力学和化学行为,主导控制钢的力学、化学和加工性能。钢中界面往往是钢中新相的核点、变形的结点、裂纹的起点、腐蚀的源点。在一定程度上讲,弄清钢中界面科学问题,也就知道了钢失效的本质和提高钢质量的方向。在钢中界面科学研究(Ⅰ)的基础上,以钢中界面为研究对象,详细综述了界面对钢相变行为和服役使用性能的影响。分析了相界及相界成分或析出物偏聚对奥氏体向铁素体转变、奥氏体向贝氏体转变和逆转奥氏体相变的影响;探讨了界面以及界面成分偏聚对强度、塑性和韧性的影响;阐述了孪晶界、相界以及夹杂物/基体之间的界面在疲劳裂纹萌生和扩展方面起到的作用;重点关注了晶界、孪晶界调控以及晶界偏聚调控提高耐腐蚀性能的机理以及应用;分析了各种界面类型对抗氢脆性能的影响并简述了界面在蠕变性能劣化中起到的作用。同时简单介绍了机器学习在界面研究方面的应用,并指出了钢在服役性能中面临的界面科学问题以及今后重点研究方向的建议。     

The influence of precipitated austenite on hydrogen embrittlement in 5.5Ni steel

This work was undertaken to test the influence of precipitated austenite on transgranular hydrogen embrittlement in 5.5Ni steel. Prior work has shown that the mechanism of transgranular hydrogen embrittlement in this steel is interlath separation. Since the austenite that forms during the tempering of 5.5Ni steel precipitates on the martenite lath boundaries, it was hypothesized that the austenite might have a beneficial effect. The experimental results show, however, that the precipitated austenite decreases the toughness in the presence of hydrogen. The apparent mechanism is straightforward. The precipitated austenite transforms to martensite in the strain field ahead of the crack tip. Interlath cracks appear at the periphery of the fresh martensite particles. They are apparently caused by the volume change that accompanies the martensite transformation, which imposes a tension across the lath boundary. The interlath cracks link together to form the macroscopic fracture.     

不同轧制及退火处理0.1C-5Mn中锰钢的氢脆敏感性

 尽管中锰钢的强塑性等力学性能得到了较大幅度提升，但要大规模地应用于汽车部件制造，仍需解决材料在制造和服役过程中面临的氢脆等系列难题，在此背景下，利用电化学充氢、氢热分析仪、慢应变速率拉伸试验机及扫描电镜等研究了两种不同状态(热轧和温轧)0.1C 5Mn中锰钢在650 ℃保温30 min(两相区退火处理)后的氢脆敏感性。结果表明，热轧和温轧退火样的微观组织分别为板条状及等轴+板条状的铁素体与奥氏体的复相组织。尽管温轧退火样的强度比热轧退火样提高了约150 MPa，伸长率降低了约5%，但两者的强塑积均可达到约33 GPa·%。两种试验材料充氢时吸附的氢绝大部分为对应低温逸出峰的可扩散性氢，温轧退火试验材料的氢脆敏感性低于热轧退火钢。充氢热轧退火样断口起裂处的断裂机制为穿晶断裂+沿原奥氏体晶界的脆性沿晶断裂；温轧退火样的起裂处则为空心韧窝+包括奥氏体(变形后转变为马氏体)晶粒的实心韧窝，后者实际上为沿着奥氏体和铁素体界面起裂的一种脆性沿晶断裂。造成两种试验材料氢脆敏感性不同的原因主要是其微观组织及其所引起的氢致断裂方式的差异。     

Effect of precipitated phase on resistance to hydrogen embrittlement of high Co- Cr- Mo- Ni bearing gear steel

High Co- Cr- Mo- Ni bearing gear steel was used as the test material, and hydrogen induced fracture process of the test steel was studied by TDS test, slow strain rate drawing and micro analysis. The results show that the high plasticity of the test steel is obviously decreased. Most of the hydrogen in the test steel is diffusible hydrogen, which is controlled by the weaker hydrogen trap. By comparing the grain size, the size of the strip, the number of residues, the dislocation density and the precipitation of the two kinds of test steels, the main influencing factors of the anti- hydrogen brittleness of test steel are the carbon density and distribution, and dispersed fine carbides are more conducive to improve hydrogen embrittlement resistance. The critical hydrogen concentration is obtained and the critical hydrogen concentration is deduced, which provides a reference for the high reliability and safe service of the components.