高强钢氢脆HE | 铁素体-马氏体双相钢中氢陷阱位点的识别
2025-05-27 14:22:06
作者：考拉腐蚀 来源：考拉腐蚀
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低温型TDS热脱附氢含量分析，文献学习，翻译并笔记记录如下。鉴于超高强钢氢脆的高风险性，需明确氢脆机制（Mechanism of HE）并开发抗氢脆性能优异的钢材。氢在钢中会被多种陷阱位点（Trapping sites）捕获，其对氢脆的影响因陷阱类型而异。因此，识别钢中氢陷阱位点至关重要。本研究旨在识别超高强双相钢中的氢陷阱位点。实验采用1180MPa级双相钢，通过轧制施加不同应变，随后进行阴极电化学充氢，并利用热脱附分析（TDA，Thermal Desorption Analysis)设备从零下50℃开始测量氢脱附速率。通过高斯函数分析TDA结果，识别出四种氢陷阱位点：35℃处的峰对应位错（Dislocations)，54℃处的峰对应马氏体中的碳化物(Carbides in the martensite structure)，75℃处的峰对应马氏体内部界面及铁素体-马氏体界面(various interfacese in the martensite and the ferrite-martensite interface)，110℃处的峰对应空位簇(Clusters)。氢脆；陷阱位点；双相钢；热脱附分析；高斯函数；峰分离；延迟断裂高强度汽车用钢的开发旨在减轻车身重量并提升抗撞性，但氢渗入材料导致的氢脆会恶化其力学性能（如总延伸率下降）。由于氢脆敏感性随材料强度增加，即使在大气腐蚀环境中，1,180 MPa级及以上超高强度钢的氢脆问题仍需关注。氢脆源于可扩散氢，其在室温下可于钢中扩散。BCC金属（如钢）的氢固溶度低于FCC金属，因此钢中氢主要被位错、空位、析出物和晶界等缺陷捕获。不同陷阱位点的结合能各异，导致氢脱附行为差异显著。间接识别氢陷阱位点的有效方法是温度程序脱附法（如热脱附分析，TDA）。本研究通过低温热脱附技术（L-TDS）结合应变处理，明确了双相钢中应变诱导的氢陷阱位点。实验材料包括1,180 MPa级铁素体-马氏体双相钢（DP钢）、单相铁素体钢（α钢）及两种回火马氏体钢（M钢和MDP钢）。通过轧制引入5%~30%的应变，并加工为1.0 mm厚的板材。采用3% NaCl + 3% NH4SCN溶液进行阴极电化学充氢，充氢后液氮速冻以抑制氢逸散。使用低温型气相色谱型TDA设备（L-TDA）测量氢脱附曲线，升温速率为200°C/h，部分样品采用100°C/h和50°C/h以计算脱附活化能。
未应变α钢的氢脱附峰位于35°C，应变增加时，35°C峰强度升高，并出现100~150°C新峰（图2）。200°C退火后，高温峰消失（图4），表明其对应空位簇。M钢的未应变样品同样显示35°C主峰，应变后出现100~150°C峰（图5）。MDP钢经300°C回火后氢含量最高（图6），其54°C峰对应碳化物/基体界面。DP钢的未应变样品氢脱附峰位于30°C，应变后峰向高温偏移（图8）。应变0.41时，峰移至50°C，总氢含量达7.1 ppm。
通过高斯函数分离脱附峰，识别出四类陷阱位点：
（1）35°C峰（位错）：活化能30.1 kJ/mol，与文献中位错脱附能（20~30 kJ/mol）一致。
（2）54°C峰（碳化物界面）：300°C回火MDP钢中显著，活化能41.5 kJ/mol。
（3）75°C峰（界面）：应变马氏体中出现的峰对应马氏体内部边界（如原奥氏体晶界、板条界），DP钢中则对应铁素体-马氏体界面。
（4）110°C峰（空位簇）：经200°C退火消失，活化能56.0 kJ/mol。
7 结论（1）应变铁素体钢的氢脱附峰对应位错（35°C）和空位簇（110°C）。（2）马氏体钢中碳化物界面（54°C）及应变诱导边界（75°C）为重要陷阱位点。
（3）双相钢中额外识别出铁素体-马氏体界面（75°C）作为独特陷阱位点，活化能46.7 kJ/mol。
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