【引言】

加工或服役過程中，氫原子會吸附于金屬表面，并滲透、擴散、聚集于某些部位，造成宏觀塑性和強度明顯降低，即氫脆現象。300系列奧氏體不銹鋼因其較高抗氫脆性和和焊接性被廣泛應用于含氫環境的承載構件，服役前常通過預應變來提高其強度。預應變使奧氏體不銹鋼產生應變硬化的同時也會使其組織發生明顯改變，如亞穩定奧氏體不銹鋼在塑性變形過程中會經歷從奧氏體轉變為α′馬氏體的應力誘發馬氏體轉變，這些組織改變將影響奧氏體不銹鋼的氫脆敏感性。焊接是奧氏體不銹鋼常用的連接手段，其過程中復雜的熱循環使焊接接頭組織和性能更為不均勻，因此，研究預應變對奧氏體不銹鋼焊接接頭組織演變和氫脆失效機制的影響對理解奧氏體不銹鋼氫脆尤為重要。

【成果簡介】

近日，天津大學材料學院研究人員李曉剛、龔寶明（通訊作者）、鄧彩艷（通訊作者）和李一哲（通訊作者）在Corrosion Science發表題為名為“Effect of pre-strain on microstructure and hydrogen embrittlement of K-TIG welded austenitic stainless steel”的研究論文。研究人員將奧氏體不銹鋼焊接接頭分別進行了不同程度預應變后在相同條件下進行預充氫來研究預應變對接頭氫脆失效機制的影響。隨著預應變水平的升高，接頭失效位置從焊縫轉移至母材，研究人員提出失效位置的轉變與焊縫、母材不同的應力誘發α′馬氏體轉變傾向有關。低預應變下，焊縫中預先存在較高的密度位錯，裂紋優先在位錯塞積和氫集中的交互作用處萌生，最終接頭失效于焊縫；高預應變下，母材中貧鎳帶發生嚴重的應力誘發馬氏體馬氏體轉變，馬-奧相界處提供了更多的氫和位錯的累積位置，裂紋優先于此處產生，接頭氫脆失效位置轉移到母材。

【圖文導讀】

圖 1 10%預應變-未充氫-未拉伸接頭 EBSD分析

（a）焊縫

（b）母材

圖 2 20%預應變-未充氫-未拉伸接頭焊縫組織 成分分析

（a）檢測區域

（b）EBSD晶粒取向分布圖、相圖

（c）EPMA局部成分分析

（d）EPMA元素分布圖

圖3 20%預應變-未充氫-未拉伸接頭母材組織成分分析

（a）檢測區域

（b）EBSD晶粒取向分布圖、相圖

（c）EPMA局部成分分析

（d）EPMA元素分布圖

圖 4  母材中預應變馬氏體含量變化

圖 5 預應變-未充氫-未拉伸接頭焊縫位錯分析（TEM）

圖 6 不同 預應變 試樣升溫脫氫分析

圖 7 不同 預應變 試樣中氫含量

圖 8拉伸曲線

圖 9 拉伸性能

（a）抗拉強度

（b）伸長率δ和氫脆敏感指數I_δ

（c）斷面收縮率Ψ和氫脆敏感指數I_Ψ

圖 10 斷口形貌 （SEM）

圖 11 10%預應變接頭 斷裂后 組織 成分分析

（a）EBSD晶粒取向分布圖

（b）EBSD相圖

（c）EDS局部成分分析

圖 12 20%預應變接頭 斷裂后 組織 成分分析

（a）EBSD晶粒取向分布圖

（b）EBSD相圖

（c）EDS局部成分分析

圖 13 20%預應變接頭 斷裂后 EBSD 分析

（a）晶粒取向分布圖

（b）相圖

圖 14   10%預應變-充氫接頭 斷裂后TEM分析 （斷于焊縫）

（a）不均勻位錯分布

（b）局部高密度位錯

（c）孿晶附近局部高密度位錯

（d）晶界附近局部高密度位錯

圖 15 20%預應變-充氫接頭 斷裂后TEM分析 （斷于母材）

圖1 6不同 預應變接頭氫脆失效機理圖

【小結】

通過對經預應變的AISI 304L奧氏體不銹鋼焊接接頭氫脆失效機制的研究，討論了接頭氫脆失效位置和預應變誘發微觀結構之間的關系，主要得到如下結論：

（1）接頭預應變幾乎不會導致焊縫產生應力誘發α′馬氏體轉變，但母材中α′馬氏體含量隨接頭預應變增加而增加，這與母材化學成分不均勻有關。焊縫中無偏析，但母材中的貧鎳帶使該區域奧氏體穩定性降低，產生大量應力誘發α′馬氏體轉變；

（2）接頭預應變從0%增加至25%，氫脆失效位置由焊縫轉向母材，這與氫和預應變誘發的微觀結構（位錯、α′馬氏體）有關。

（3）接頭經歷低預應變時（0%，3%，6%，10%，15%），焊縫預先存在較高密度的位錯，隨后氫提高這些位錯的移動性使焊縫易發生局部塑形變形，最終氫致斷裂發生在焊縫中氫和位錯的塞積處。

（4）接頭在高預應變水平下（20%，25%），母材發生大量應力誘發馬氏體轉變，馬-奧相界經歷了更為嚴重的氫-位錯交互，最終在母材中的馬-奧相界發生氫脆失效。

（5）低預應變時，充氫接頭流變應力高于與之相同預應變水平的未充氫接頭，且氫不減小接頭強度；高預應變時，充氫接頭流變應力和強度均低于與之相同預應變水平的未充氫接頭。這與預應變接頭中存在應變硬化和氫致脆性兩種競爭機制有關：低預應變接頭中應變硬化機制占主導；高預應變接頭中氫致脆性占主導。

文章鏈接：

（DOI：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2018.12.018）