氢能，被誉为21世纪的终极能源体系，事实上近年来氢能的发展确实尤为迅猛，而随之而来的一个问题便是氢能的关键载体——氢气该要如何储存和运输。因此，目前对能够承受高压氢气环境的材料需求日益迫切，奥氏体不锈钢因其优异的抗氢脆性能而被视为首选材料之一。但在复杂构件的制备过程中，往往避不开分段成型及焊接，焊缝又极易成为氢脆的薄弱环节，随着增材制造技术的发展，又给出了一条新的制备思路，即复杂结构的一体成形。不过，增材制造过程固有的快速熔凝特性，不可避免地会在材料内部引入气孔、元素偏析等缺陷，这些缺陷不仅是应力集中源，更被认为是氢原子的“陷阱”，会捕获扩散的氢，从而影响材料的氢损伤行为。

近日，中国科学院金属研究所与中国工程物理研究院机械制造工艺研究所的联合研究团队聚焦于增材制造（3D打印）过程中不可避免的气孔缺陷，深入揭示了其对一种高性能含氮奥氏体不锈钢（21Cr-6Ni-9Mn-N）抗氢脆性能的影响机制。研究发现，氢气会促使材料内部形成一种特殊的“非孪晶”微观结构，而这种结构恰恰是裂纹萌生的源头，尤其是在气孔周围。目前这一成果在线发表于国际材料领域期刊《Corrosion Science》，论文题为“Hydrogen-induced cracking along the non-twin microstructures formed by twin intersection around pores in AM 21Cr-6Ni-9Mn-N steel”。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.114060

【核心内容】

团队通过选区激光熔化技术制备了21Cr-6Ni-9Mn-N不锈钢，并通过高温高压气相热充氢模拟其在氢环境中的服役状态，随后系统分析了充氢前后样品的力学性能、断口形貌和微观结构演化。

图形摘要

充氢前后应力-应变曲线及力学性能对比

不同奥氏体合金充氢前后的强度与延伸率对比及氢脆指数比较

【研究成果】

① 氢致裂纹倾向于气孔处萌生

材料内部的气孔主要垂直于打印方向线状排列，且气孔所占的总体积并不大，不过在断口形貌上，出现了明显的差别，未充氢的样品断口以韧窝（典型的韧性断裂特征）为主；而充氢后的样品，在气孔周围出现了大量的裂纹、撕裂棱和解理面等脆性断裂特征，在二断口平面上，气孔占据5.78%的面积，说明气孔是氢脆裂纹的主要萌生区域。

3D-XRD表征的气孔三维分布、截面形貌及孔径尺寸统计

未充氢试样拉伸断口形貌

充氢试样拉伸断口形貌

② 氢诱发非孪晶结构

由于氢能够降低奥氏体不锈钢的层错能，促进平面滑移和孪晶的形成，因此充氢后的样品内部产生了更多的变形孪晶，同时，这些变形孪晶并非单向排列，而是呈现出双向交叉分布的模式，并且团队发现，当一个方向的孪晶穿过另一个方向的孪晶时，被穿过的孪晶区域会发生晶格旋转，从而失去了原有的孪晶特性，转变为一种“非孪晶”的微观结构。

未充氢试样断口横截面的EBSD表征

充氢试样断口附近区域的EBSD表征

充氢试样气孔附近FIB切割区域的TKD/TEM表征

③ “非孪晶”结构：裂纹萌生的致命弱点

气孔本身在充氢之后便会残留高压氢气，而变形孪晶因其较低的界面能，本身就是氢原子的聚集地，同时当孪晶交叉形成非孪晶结构后，原本被困在孪晶内部的氢原子更加难以向外扩散，这就导致了该区域的氢浓度极高。在高氢环境下，非孪晶结构的界面结合力被严重削弱，在随后的拉伸变形过程中，不可避免地发生应力集中，裂纹便沿着这些非孪晶结构的界面优先萌生和扩展，最终导致了围绕气孔的脆性断裂。

氢微印技术（HMT）显示气孔周围及变形区氢富集情况

氢致裂纹沿孪晶交叉形成的非孪晶结构萌生与扩展的机理示意图

【总结与展望】

这项研究系统地揭示了增材制造21Cr-6Ni-9Mn-N不锈钢中气孔缺陷对其抗氢脆性能的影响机制，这一发现挑战了以往认为变形孪晶总是有益于抗氢脆的传统认知，为理解和设计高性能抗氢脆增材制造合金提供了全新的理论基础。