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Corros. Sci.:稳定的Cr-Ni-Mn-N奥氏体不锈钢中碳对氢脆的影响
2017-11-17 10:12:43 作者:本网整理 来源:材料人

    【引言】


    氢气是未来可再生能源极具吸引力的候选之一,许多国家计划建立氢能站,分配能源。但是氢能站许多工件会暴露于氢气中并遭受氢脆化(HE),其表现为材料的延展性和韧性严重降低。因此,抗氢脆性是工件最重要的特性之一,而具有如此应用潜力的一种合金是不锈钢(STSs)。


    导致HE的主要因素是氢的扩散系数和溶解度,低扩散性抑制氢气进入材料,大溶解度降低了材料内氢的偏析倾向。因此,与铁素体STSs相比,具有较低扩散系数和较大的氢溶解度的奥氏体STSs,更不易受到HE的影响。但是控制这些因素并不能完美解决HE。一些奥氏体钢在变形诱发的马氏体转变中易受氢气侵蚀,此外HE也会发生在稳定的奥氏体STSs中。因此,一些研究调查了合金元素对HE趋势的直接影响,还有一些研究将稳定的奥氏体钢的HE趋势与HE机制联系起来等等。总之,难以只用奥氏体STSs中的一种理论来解释HE。


    【成果简介】


    近日,韩国浦项科技大学的Sung-Joon Kim(通讯作者)等人在Corrosion Science上发表了一篇名为“The effect of carbon on hydrogen embrittlement in stable Cr-Ni-Mn-N austenitic stainless steels”的文章,研究人员通过在稳定的奥氏体不锈钢中添加0.02或0.1wt.%的C来研究碳浓度对氢脆的影响。在变形期间,两种不同C浓度钢都出现明显的平面滑移和细小的位错结构,其后出现机械孪晶。在氢气预充之后,具有较高C浓度的合金更容易发生氢脆。基于应变硬化行为,研究人员提出C增强了平面滑移,改善了机械孪晶。因此,较高的C浓度导致更多的位点,用于应力集中和氢捕获,并加速脆化。


    【图文导读】


    图1 不同C含量的未充氢气和预充氢气试样的拉伸性能


1

 

    (a)工程应力应变曲线;


    (b)应变硬化速率曲线。


    图2 0.02C和0.1C固溶热处理后未变形试样和SSRT后的未充氢气和预充氢气试样的的XRD光谱


2

 

    结果表明,无论预充氢和碳含量如何,经过热处理和变形后,完全为奥氏体组织。


    图3 变形期间的微观结构演化(EBSD带对比图)


3

 

    (a)不充气0.02C,未变形;


    (b)不充气0.02C,ε= 0.3;


    (c)不充气0.02C,断口;


    (d)不充气0.1C,未变形;


    (e)不充气0.1C,ε= 0.3;


    (f)不充气0.1C,断口。


    图4 细位错结构和机械孪生演化与应变(明场TEM图像)


4

 

    (a)不充气0.02C,ε= 0.3;


    (b)不充气0.02C,断口;


    (c)不充气0.1C,ε= 0.3时;


    (d)不充气0.1C,断口。


    带轴始终平行于<100>fcc。HDDW:高密度位错墙。


    图5 0.02C试样拉伸断口的形貌分析(SEM)


5

 

    (a)不充气拉伸试样中心处的宏观图像;


    (b)不充气拉伸试样中心处的微观图像;


    (c)不充气拉伸试样边缘的微观图像;


    (d)预充气拉伸试样中心处的宏观图像;


    (e)预充气拉伸试样中心处的微观图像;


    (f)预充气拉伸试样边缘的微观图像。


    图6 0.1C试样拉伸断口的形貌分析(SEM)


6

 

    (a)不充气拉伸试样中心处的宏观图像;


    (b)不充气拉伸试样中心处的微观图像;


    (c)不充气拉伸试样边缘的微观图像;


    (d)预充气拉伸试样中心处的宏观图像;


    (e)预充气拉伸试样中心处的微观图像;


    (f)预充气拉伸试样边缘的微观图像。


    图7 0.02C试样拉伸断裂后侧视图的形貌分析(SEM)


7

 

    (a)不充气拉伸试样的宏观图像;


    (b)不充气拉伸试样的微观图像;


    (c)预充气拉伸试样的宏观图像;


    (d)预充气拉伸试样的微观图像。


    图8 0.1C试样拉伸断裂后侧视图的形貌分析(SEM)


8

 

    (a)不充气拉伸试样的宏观图像;


    (b)不充气拉伸试样的微观图像;


    (c)预充气拉伸试样的宏观图像;


    (d)预充气拉伸试样的微观图像。


    图9 试样拉伸断裂后侧视图的形貌分析(SEM)


9

 

    (a)预充气0.02C,滑移面;


    (b)预充气0.02C,晶粒内的微孔和微裂纹;


    (c)预充气0.02C,沿滑移面的裂纹;


    (d)预充气0.1C,晶粒内的微孔和微裂纹;


    (e,f)预充气0.1C,沿滑移面的裂纹。


    【小结】


    在稳定的20Cr-11Ni-5Mn-2Mo-0.5Si-0.3N奥氏体STSs中研究了碳对氢脆的影响。


    (1)碳增加了平面滑移趋势,导致形成诸如HDDWs的细小位错结构,导致线性应变硬化机制。


    (2)当流动应力克服机械孪生的临界应力时,孪生开始发生。孪晶的临界应变以及形态取决于合金中的碳浓度。


    (3)合金抗氢脆性的高电阻归因于稳定的奥氏体以及浅氢扩散深度。


    (4)0.1C具有更多的HDDWs,孪晶和晶界的交叉点,作为应力集中和/或捕集氢的位置,并且与0.02C相比,预充气时会形成更活跃的微孔和微裂纹。


    (5)阻氢性能不仅与奥氏体稳定性有关,也与平面滑移趋势有关。因此,需要进一步研究奥氏体的变形机理,以设计用于氢环境的奥氏体不锈钢。


    文献链接:The effect of carbon on hydrogen embrittlement in stable Cr-Ni-Mn-N austenitic stainless steels(Corros. Sci.,2017,DIO.org/10.1016/j.corsci.2017.05.004)

 

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