中锰钢（Medium-Mn Steel）由于具备良好的强韧性匹配、加工性以及成本优势，近年来在汽车轻量化、高强结构件中受到广泛关注。特别是三相组织（铁素体+马氏体+残余奥氏体）中锰钢，因其具备稳定的力学性能与氢扩散行为调控潜力，被视为抗氢脆候选材料之一。

氢脆（Hydrogen Embrittlement, HE）作为高强钢常见失效机制，其微观机制受到材料组织、位错密度、界面性质及氢陷阱行为的耦合影响。焊接过程中，热输入不仅引起材料组织变化，还可能改变氢在材料中的分布与陷阱状态，进而影响氢脆敏感性。

传统熔化焊热影响区（HAZ）组织严重变化、氢易聚集，造成抗氢脆性能下降。相比之下，搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）作为一种固态连接方法，可在低热输入下连接中高强钢，具有显著组织细化效应，并可抑制氢浓缩，为提升抗氢脆性能提供可能。因此，明确FSW在不同微区对氢行为及脆化机制的影响规律，对高强中锰钢焊接结构的服役可靠性提升具有重要意义。

本文采用中锰三相组织钢（含10.6%Mn，1.1%Al，0.2%C），通过热处理获得兼具马氏体+铁素体+残余奥氏体的初始组织。采用常规FSW工艺（工具转速400 rpm，焊接速率100 mm/min）制备对接接头，并划分焊缝为三个区域：Base Material (BM)-母材；Thermo-Mechanically Affected Zone (TMAZ)-热-机械影响区；Stir Zone (SZ)-搅拌区。

随后，分别对不同区域进行以下表征与分析：EBSD观察组织演化；SIMS分析氢分布；热脱附（TDA）与应力腐蚀试验分析氢陷阱与断裂行为；数值建模估算氢扩散行为与应力分布。

1. 微观组织演化：强烈组织细化与相变行为

母材组织由较粗的马氏体+铁素体+残余奥氏体组成。FSW后：SZ区域出现极显著的晶粒细化（平均粒径~1.3 μm），同时残余奥氏体含量显著减少；TMAZ区域则保留部分奥氏体，组织呈现不均匀混合状态；EBSD显示，FSW诱发大量高角度晶界（HAGBs），有利于扩散但也可成为氢陷阱。

图1. Fe-8Mn-0.2C-3Al-1.3Si（质量分数）钢中母材与FSW焊缝样品的EBSD结果：(a1 与 b1) IQ-相图；(a2 与 b2) GOS图；(a3 与 b3) γR残余奥氏体的IQ-KAM图；(a4 与 b4) α/δ铁素体的IQ-KAM图。(c) 晶粒尺寸分布，(d) 各相比例，(e) 动态再结晶/未再结晶晶粒比例，(f) 平均KAM值与单位面积低角度晶界（LABs, 2° ≤ θ ≤ 15°）总长度（μm⁻¹）的变化情况。在IQ-相图/GOS图中，黑色和蓝色线分别表示高角度晶界（θ > 15°）与低角度晶界（LABs）；黄色箭头标示位错胞（dislocation cell）。ND：法向方向；RD：轧制方向；WD：焊接方向。

2. 氢浓度与分布：SZ区氢含量显著降低

通过二次离子质谱（SIMS）分析可得：氢在母材与TMAZ区域集中显著，在SZ区域则几乎检测不到高氢含量；TDA结果表明：SZ区域的高温脱附峰显著减少，说明FSW抑制了深陷阱的生成（如马氏体位错网络与奥氏体-马氏体界面）。

这一变化表明：组织细化与奥氏体减少，使氢陷阱减少，氢更难富集于SZ区域，从而提升抗氢脆性能。

3. 力学与断裂行为：FSW显著改善氢致断裂韧性

母材在氢环境中表现出典型的脆性断裂行为，断口呈现准解理特征；而SZ区域在氢充入后仍表现出高的延展性与韧性，断口以韧窝为主；断裂多发生在TMAZ区域，成为潜在弱区，推测与氢局部富集及应力集中有关。

数值模拟也验证了该结果：TMAZ区域应力集中严重，氢扩散梯度最大，结合氢陷阱分布最可能导致氢脆失效。

图3 SSRT后（a1,2和b1,2）H-不带电和（c1,2和d1,2）H-charged试样的整体断裂面和放大图像：（a和c）基体金属和（b和d）FSW试样。ND：法线方向，TD：横向，WD：焊接方向，TA：拉伸轴

本研究系统探究了FSW对中锰三相钢氢脆敏感性及其机制的影响，结论如下：

FSW可显著细化焊缝组织，降低RA含量，有效抑制氢陷阱形成；搅拌区（SZ）氢浓度最低，断裂韧性最高，表现出优异抗氢脆性能；TMAZ成为氢诱导失效的敏感区，需重点优化工艺或后处理；提出“区域化氢脆机制模型”，为多相高强钢焊接设计提供新理论基础；

FSW为连接高强钢构件提供了一种低氢脆风险的新型工艺路径，尤其适用于对服役可靠性要求极高的结构件。