文献学习 | 铌对多相不锈钢氢致开裂行为的影响:相分数、堆垛层错能及纳米NbC析出
2025-04-08 16:21:37 作者:考拉腐蚀 来源:考拉腐蚀 分享至:

 

【期刊】Materials Science & Engineering A
【题目】Influence of Nb on the hydrogen-assisted cracking behaviour in mutiphase stainless steel: Phase fractions, stacking fault energies, and nanosized NbC precipitation.
【摘要】铌(Nb)合金化被认为会降低多相钢的氢脆抗力,这与单相金属材料中Nb的积极作用相矛盾。本研究阐明了Nb合金化对一种新型多相不锈钢氢脆行为的影响机制。结果表明,添加Nb可使氢脆敏感性降低17%。研究发现,含Nb钢中较高的奥氏体比例阻碍了氢的渗入。此类含Nb钢中的奥氏体相具有更高的堆垛层错能,从而延迟了马氏体相变和裂纹萌生。基体中纳米级NbC的析出阻碍了氢扩散,间接抑制了裂纹的萌生与扩展。
【背景梳理】
(1)氢脆问题的重要性!
多相不锈钢(MPSS)因优异的机械性能(如相协同变形和TRIP效应)在工业中备受关注,但其对氢脆(HE)高度敏感,尤其是氢在新生马氏体相界的富集会引发裂纹萌生;
(2)Nb在多相钢中与单相材料相反的作用规律(争议作用)!

  • 在单相材料中,Nb通过纳米NbC析出作为氢陷阱,提升氢脆抗性;
  • 但在多相材料(如Q&P钢)中,Nb的加入反而加剧氢脆敏感性,机制尚不明确。

(3)研究需求!
需系统探究Nb在多相不锈钢中的作用机制,包括相分数、堆垛层错能(SFE)、NbC析出与氢扩散的关系。
【术语解释】

  • Hydrogen assisted cracking, 氢致开裂;
  • Multiphase stainless steel(MPSS), 多相不锈钢 (注:奥氏体、马氏体、铁素体的协同作用机制);
  • Phase fractions,相分数;
  • Stacking fault energies(SFE), 堆垛层错能;
  • Nanosized NbC precipitation, 纳米NbC系数(注:Nb的作用 - 通过调控相分数、提高奥氏体堆垛层错能(抑制马氏体相变)、诱导纳米NbC析出(作为氢陷阱),降低多相不锈钢的氢脆敏感性。);

【研究贡献提炼】
(1)矛盾性发现
揭示Nb在多相钢中与单相材料相反的作用规律。
(2)三重作用机制
①相分数调控(高奥氏体比例阻氢);
②SFE提升(抑制马氏体箱变);
③纳米NBC析出(阻碍氢扩散与裂纹扩展);
(3)量化指标
氢脆敏感性降低17%,为工程应用提供直接数据支撑。

【研究思路】

(1)材料制备与处理
设计含Nb钢(额外补碳以平衡NbC形成)和不含Nb钢,通过热轧和固溶处理(不同保温时间:T2.5-T40)调控微观结构。

(2)微观结构表征

  • EBSD/XRD/TEM:分析相分数(奥氏体、马氏体、铁素体)、晶粒尺寸及NbC析出(形貌、尺寸、界面结构)。
  • 堆垛层错能计算:通过HR-TEM测量奥氏体中的层错宽度,评估SFE对马氏体相变的影响。

(3)力学与氢脆测试

  • 慢应变速率拉伸(SSRT):在充氢条件下测试,计算延伸率损失(Iδ)评价氢脆敏感性。

  • 断口分析(SEM/EBSD):观察裂纹路径(穿晶/沿晶)与断裂模式(解理、准解理等)。

(4)氢陷阱分析
热脱附光谱(TDS):量化氢含量并识别陷阱类型(如NbC界面、位错、相界),测量氢脱附行为,通过不同升温速率(100/150/300℃/h)计算陷阱激活能。

 

【研究结果】
(1)Nb降低氢脆敏感性
含Nb钢的氢脆敏感性(Iδ)比不含Nb钢降低4%-17%,主要归因于:
  • 高奥氏体分数:阻碍氢渗透(TDS显示含Nb钢总氢含量更低)。
  • 高堆垛层错能(SFE):延迟奥氏体向马氏体转变,抑制裂纹萌生(HR-TEM显示含Nb钢SFE更高)。
(2)纳米NbC析出的双重作用

  • 氢陷阱效应:半共格界面的NbC吸附氢,减少可扩散氢含量(TDS显示NbC对应脱附峰活化能为53.09 kJ/mol)。
  • 阻碍氢扩散:NbC在奥氏体/马氏体相界及基体中的析出抑制氢局部富集(TEM显示NbC在bcc/fcc相中异步析出)。

(3)相分数与SFE的动态关系
延长固溶处理时间导致奥氏体SFE下降,部分奥氏体转变为马氏体,但含Nb钢仍保持更高奥氏体稳定性。
(4)裂纹扩展路径差异
含Nb钢的裂纹路径中观察到稳定奥氏体区域(EBSD),而不含Nb钢的裂纹沿马氏体相界快速扩展。
【结论】

铌通过以下机制提升多相不锈钢氢脆抗性:

  • 增加奥氏体分数并提高其堆垛层错能,延缓马氏体相变;

  • 纳米NbC作为强氢陷阱,减少可扩散氢含量;

  • 异步析出的NbC在bcc/fcc相中协同抑制氢扩散。

该研究为多相材料中合金元素设计提供了理论依据,解决了Nb在单相与多相材料中作用的矛盾。

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