氢能是一种二次清洁能源，被誉为“21世纪终极能源”，在当今世界推动碳达峰、碳中和等人类命运共同体大目标的背景下，氢能开始明显加快了研究开发的进度。但随着全球大步迈向氢能时代之时，一个问题也随之而来，即与氢能产业相关的结构材料会不可避免地长期暴露在富氢环境中，而在这背后就存在着氢脆（HE）这一“隐形杀手”，其会在毫无预警的情况下迅速削弱材料韧性并导致灾难性失效。钢是目前工业领域应用最多的材料体系，尤其是高强钢与沉淀硬化不锈钢（PHSSs）在航空航天、海工、核电等高端装备领域中也得到了大量使用，但这些钢材体系虽然强度超群，却也逃不开氢脆的问题，往往在富氢环境下其长期稳定性要大打折扣。

因此，如何在保证超高强度的同时显著提升抗氢脆性能，一直是材料科学领域的“卡脖子”难题，尤其是在全球加快氢能研发的当下。正是在这一背景下，哈工大（深圳）联合钢研院于2025年9月12日在《Corrosion Science》期刊上发表了题为“Superior hydrogen embrittlement resistance of 1.9 GPa-grade precipitation hardening stainless steel achieved by multi-phase precipitation engineering”的最新成果，团队通过多相析出工程实现了1.9GPa级的沉淀硬化不锈钢，同时在保持高强度的同时显著提升抗氢脆能力，为氢能时代高性能结构材料设计提供了新范式。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113315

【核心内容】

该研究通过在马氏体基体内引入高密度的M₂C碳化物、α'_Cr富集区和逆转变奥氏体，在Ferrium S53沉淀硬化不锈钢内部构建一套多尺度、多能级的氢陷阱体系，二次时效样品即便处于氢充环境下仍能够保持1637MPa的强度和9.7%的延伸率，氢脆指数降至11%。

协同断裂模式和多尺度氢阱示意图

【研究方法】

试样制备时首先进行固溶处理（SA），然后设计一次冷处理态（FAT）和二次处冷处理态（SAT）两种冷处理和时效工艺方案以获得微观结构不同的试样。材料的氢脆敏感性通过标准慢应变速率拉伸（SSRT）测试评价，在高纯氢气（99.999%）环境下以10^-6 s^-1的应变速率拉伸并与其在空气环境下的性能进行对比，并结合XRD、EBSD、TEM、APT以及热脱附谱（TDS）等手段揭示多尺度组织演变和氢捕获行为，氢与析出物及空位的相互作用机理则借助第一性原理密度泛函理论（DFT）计算揭示。

热处理工艺示意图

【研究成果】

① 强度与抗氢脆性的同步提升

SAT样品展现出优异的力学与抗氢脆性能，在空气环境下期极限抗拉强度达到1919MPa，延伸率保持在10.9%左右，而在氢充环境下，其氢脆指数也仅11%，相比FAT样品的26.8%，抗氢脆性能显著提升，且仍能保持高强度和一定的延展性。

不同热处理态（HF/HC）的应力–位移曲线对比

氢充样品的断口SEM形貌对比

② 断口形貌揭示氢脆机理转变

氢充样品在断口处表现为准解理（QC）+沿晶断裂（IG）与微孔聚合（MVC）混合特征，同时，氢充状态下可观察到次生裂纹在侧表面形成，其分布方向几乎垂直于拉伸方向，与FCT（首次冷处理态）相比，SAT样品的次生裂纹数量更多，但裂纹深度更浅。

不同断裂区域的SEM特征

氢充态样品侧表面次生裂纹对比

氢致裂纹优先起裂于马氏体亚结构边界的示意与显微形貌

③ 多尺度组织调控与氢捕获机制

二次时效促进了M₂C碳化物和α'_Cr富集相的高密度析出，同时逆转变奥氏体的体积分数也提升至9.2%，这些相的协同作用，提供了丰富的氢捕获位点。其中Mo能够融入M₂C碳化物结构中稳定碳空位，提高对氢原子的束缚能力，逆转变奥氏体凭借其较高的氢溶解能力与较低的氢扩散速率，可有效延缓材料失稳进程，马氏体分级界面则通过钉扎位错，阻止氢原子的快速迁移。

XRD与EBSD表征的逆转变奥氏体分布

FAT样品中碳化物与Cr富集相三维原子映射

DFT模拟Mo对M₂C氢捕获能的强化机制

【总结与展望】

研究阐明了1.9GPa级沉淀硬化不锈钢中多相析出现象与抗氢脆能力增强的相互作用，并用DFT揭示了Mo对M₂C氢陷阱性能的强化效应，这一成果不仅突破了传统材料设计的瓶颈，也为氢能环境下结构材料的长期服役安全奠定了坚实的科学与工程基础。