不锈钢微观组织结构对其氢脆性能的影响

1、不锈钢微观组织结构对其氢脆性能的影响不锈钢以其良好的机械性能、抗腐蚀性能以及焊接性能从而被运用于各种工业领域。然而在不锈钢生产过程或者服役过程中不可避免地会引入氢，从而导致不锈钢发生氢脆开裂。稳态奥氏体不锈钢通常具有较高的抗氢脆性能，但是其制造成本较高。锐含量较低的业稳态奥氏体不锈钢在热充氢或者电化学充氢条件下，均显示出一定的氢脆敏感性。同时奥氏体不锈钢的强度较低,很难满足工业应用中的强度设计要求。因此,如何提升业稳态奥氏体不锈钢强度的同时提升其抗氢脆性能成为一项具有挑战的研究。此外，奥氏体不锈钢在加工或服役期间在500C到850C停留会导致碳化物沿晶界的析出，称为敏化。敏化不仅对奥氏体不锈钢

2、的晶界腐蚀、应力腐蚀造成影响，同时也会影响奥氏体不锈钢的氢脆抗性。马氏体不锈钢的强度一般高于奥氏体不锈钢，但其抗氢脆性能一般低于奥氏体不锈钢。因此，能否在马氏体不锈钢中引入奥氏体来提升马氏体不锈钢的氢脆抗性也值得探究。本文以商用304奥氏体不锈钢和S4150g氏体不锈钢为研究对象，采用微观观察、统计分析、原位充氢拉伸及氢扩散等方法手段研究了晶粒尺寸、纳米孚晶和敏化处理对304不锈钢氢脆敏感性的影响，以及逆变奥氏体对S4150g氏体不锈钢氢脆敏感性的影响。主要研究进展如下:通过冷轧与退火的方法制备了不同晶粒尺寸（4mm到12mm）的304奥氏体不锈钢。氢脆敏感性实验表明晶粒细化不仅增加了304奥

3、氏体不锈钢的强度，同时也提升了其氢脆抗性。对充氢拉伸样品进行EBSD-KA阱析发现晶粒细化有效地缓解了拉伸过程中的应变局部化，从而提升了材料的抗氢脆性能。XRD吉果表明晶粒尺寸对304奥氏体不锈钢充氢拉伸过程中马氏体转变的量没有影响。氢扩散实验结果表明随着晶粒细化,304奥氏体不锈钢的氢扩散系数先升高后降低，这主要是由于氢在材料中的扩散受控于氢原子沿晶界的快速扩散及材料内部位错对氢的捕获。晶粒细化虽然可以提升材料强度和抗氢脆性能,但是当晶粒细化到纳米级别时会出现严重的塑性损失。本文选用纳米孚晶组织来强化304不锈钢，同时研究了其对304不锈钢氢脆性能的影响。结果表明具有41蛎内米孚晶组织、32

4、洲结晶晶粒和27咐错结构的纳米孚晶304不锈钢不仅拥有较高的强度及良好的塑性，同时具备良好的抗氢脆性能。充氢导致纳米孚晶304不锈钢屈服强度降低12.5%，抗拉强度降低5.4%，这主要是因为氢促进了位错与孚晶界之间的反应。同时，充氢导致纳米孚晶304断口处马氏体含量降低41%虽然充氢抑制了马氏体转变，但是充氢对纳米孚晶304不锈钢的加工硬化性能却没有影响，这主要是因为氢原子促进位错与孚晶界反应并生成了大量的不全位错，这些不全位错为材料贡献了额外的加工硬化性能。纳米孚晶304不锈钢中束状的纳米孚晶以及细小的再结晶晶粒有效地缓解了氢致局部塑性变形，从而有效地提升了其氢脆抗性。304不锈钢经过在65

5、0C敏化处理24h后，在晶界上析出了与基体保持cube-cube关系的碳化物。氢脆敏感性实验表明，敏化处理大大降低了304不锈钢的氢脆抗性。用TEM观察了充氢拉伸10%勺敏化态304不锈钢，结果表明马氏体优先在晶界碳化物周围形核。这主要是由于氢在碳化物与基体之间富集，降低了层错能以及促进了应力集中，从而有利于马氏体的形核与长大。充氢导致敏化态304不锈钢沿晶开裂，且其沿晶断口上存在滑移带与撕裂脊形貌，这与位错在晶界附近由于氢局部富集而发生的局部滑移有关。通过不同的热处理方法制备了两种含有不同含量逆变奥氏体的S41500马氏体不锈钢。氢脆敏感性实验表明，随着逆变奥氏体含量的增加，S41500马氏体不锈钢的氢脆敏感性降低。充氢导致S41500发生准解理开裂。用F旧在断口准解理形貌处自上而下提取TEM羊品进行观察，结果表明断口附近的逆变奥氏体发生了马氏体转变，裂纹沿回火马氏体板条界面、回火马氏体和新形成的马氏体界面扩展。三维原子探针结果表明，逆变奥氏体作为氢陷阱可以