中科院金屬所Acta Mater.：逆轉變奧氏體對S41500馬氏體不銹鋼氫脆斷裂的影響

【引言】

具有多相微觀結構的馬氏體鋼（MS）由于其高強度、高韌性、良好的焊接性能等而廣泛應用于水輪機、汽車等許多工業應用。普遍認為，奧氏體由于富集奧氏體穩定化元素（Ni或C）可以通過相變誘發塑性（TRIP）效應提高MS和馬氏體不銹鋼（MSS）的延展性和韌性。然而，在實際應用中，可能發生腐蝕，陰極反應會產生氫氣，這可能導致氫脆（HE）和過早的失效。奧氏體是馬氏體鋼中的亞穩相，由于氫能降低奧氏體的堆垛層錯能（SFE），在應力（或應變）和氫侵蝕下將轉變為馬氏體。因此，奧氏體的穩定性也可能對HE斷裂產生很大的影響。

【成果簡介】

近日，中國科學院金屬研究所的張波副研究員在Acta Mater.上發表了題為“The role of reversed austenite in hydrogen embrittlement fracture of S41500 martensitic stainless steel ”的文章。這篇文章為S41500 MSS的斷裂面正下方的裂縫表面特征提出了新的觀察和解釋，目的是揭示逆轉變奧氏體（RA）對耐氫脆性的影響。MSS在電化學氫氣充電條件下進行應變速率緩慢的拉伸試驗。研究發現含有更多RA的鋼具有較小的氫脆性。聚焦離子束（FIB）用于HE斷裂后斷裂路徑的TEM觀察樣品。結果表明，斷裂面附近的RA已經轉變為新形成的馬氏體（NFM），并且在回火馬氏體/ NFM邊界和板條邊界兩端都發生裂紋。三維原子探針（3DAP）證實RA是H捕獲位點。因此，RA的作用是它可以作為穩定的氫捕獲位點，其可以通過降低板條和晶界處的氫含量來增加耐氫脆性。但由于氫再分布的結果，馬氏體轉變后可以發生回火馬氏體/ NFM邊界的裂紋，因此會產生不利效果。

【圖文導讀】

圖一：熱處理示意圖本實驗使用UNS S41500低碳MSS。該合金在1050℃下奧氏體化2h，然后水淬。進行雙回火（680℃，2小時，630℃，2小時）和單回火（630℃，2小時）處理，以制備最終合金。

圖二：不同熱處理的鋼的金相和SEM-BSE圖像

(a、b) 雙回火后的金相和SEM-BSE圖像。

(c、d) 單回火后的金相和SEM-BSE圖像。

圖三：不同熱處理后馬氏體不銹鋼的XRD譜

根據XRD分析，兩種合金具有明顯的馬氏體衍射峰和奧氏體衍射峰，但具有不同的積分強度。

圖四：工程應力 - 應變曲線

在空氣和氫氣環境中測試的DT和ST樣品的應變速率為10^-5 s^-1的工程應力 - 應變曲線。

圖五：斷面的SEM圖像

(a、b、c) DT樣品斷面的SEM圖像。

(d、f、e) ST樣品斷面的SEM圖像。(a、d)在空氣中測試的樣品；(b、e)使用動態氫氣充氣測試的斷裂面的邊緣；(c、f)在電化學氫充電條件下測試的斷裂面的中心。

圖六：DT樣品的TEM圖像

(a) 明場圖像。

(b) 對應的SAED圖像。

圖七：DT樣品的APT原子分布圖

(a) Ni，Cr，Mo，C和H的元素分布。

(b) 通過RA和馬氏體（M），Ni和H的三維原子圖。

(c) H，C，Ni和Cr的組成分布。

圖八：TEM顯微照片

(a) 提取FIB樣品的位置。

(b) 明場圖像和對應的SAED圖案。

(c) (b)中Ni的EDX元素映射。

(d) (b)中Fe的EDX元素映射。

【小結】

這項研究工作表明，RA在電化學氫氣充電條件下對S41500馬氏體不銹鋼的耐氫脆性有很大的影響。隨著RA含量的增加，HE敏感性降低，主要斷裂模式從晶間變化到準裂解斷裂。斷裂路徑上的裂紋路徑的FIB / TEM觀察結果提供了納米級斷裂過程的洞察視圖。結合馬氏體板條和原子尺度的RA元素分布（特別是H）的3DAP分析，可以更清楚地揭示RA對馬氏體不銹鋼氫誘發開裂的作用。

文獻鏈接：The role of reversed austenite in hydrogen embrittlement fracture of S41500 martensitic stainless steel（Acta Mater.2017，DOI:10.1016/j.actamat.2017.08.011）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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