北科大《Acta Materialia》：增材制造馬氏體時效鋼的氫脆行為！

來源：材料科學(xué)與工程

18Ni(300) 馬氏體時效鋼以金屬間化合物強(qiáng)化的韌性 Fe-Ni 馬氏體為基體，具有超高強(qiáng)度、良好的韌性和加工性能。它被廣泛應(yīng)用于航空、航天和模具等領(lǐng)域。最近，一種典型的金屬增材制造方法--激光粉末熔床（L-PBF）技術(shù)已被應(yīng)用于在這些熔爐中快速成型形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。目前，對 L-PBF 18Ni(300) 鋼的研究大多集中在制備和熱處理工藝的優(yōu)化上。然而，作為一種超高強(qiáng)度鋼（UHSS），氫脆（HE）是服役安全中必須考慮的重要潛在風(fēng)險。受復(fù)雜微結(jié)構(gòu)演變的影響，不同時效狀態(tài)下馬氏體時效鋼氫脆（HE）的主導(dǎo)因素并不明確。

來自北京科技大學(xué)的學(xué)者通過實驗和數(shù)值模擬系統(tǒng)地闡明了這一基本問題。在欠時效和峰值時效狀態(tài)下，彌散相干ω/基體界面和尖銳半相干η-Ni3Ti/基體界面分別充當(dāng)可逆陷阱。它們不同的界面特性決定了兩種狀態(tài)下陷阱密度的差異。陷阱密度越低，氫擴(kuò)散速度越快，晶格中的氫含量也越高，導(dǎo)致欠時效狀態(tài)下的 HE 最差。在峰值時效狀態(tài)下，最高的陷阱密度緩解了這種情況。在過時效狀態(tài)下，與 η-Ni3Ti/基質(zhì)界面相比，新形成的 Laves-Fe2Mo/ 基質(zhì)界面起到了略深的捕集作用，但界面面積的減少降低了捕集密度，反而加速了氫擴(kuò)散。即便如此，還原奧氏體
steel by experiments and numerical simulations”標(biāo)題發(fā)表在Acta
Materialia。對延展性的改善進(jìn)一步緩解了這種狀態(tài)下的高熱敏感性。相關(guān)文章以“Research on hydrogen embrittlement behavior of L-PBF 18Ni(300) maraging

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119141

圖 1. 氫氣滲透測試的實驗裝置示意圖。

圖 2. 不同時效狀態(tài)下 L-PBF 18Ni(300) 鋼的微觀組織形態(tài)：（a-c）DAT440、（d-f）DAT490、（g-i）DAT540 試樣。圖 2（a、d、g）為二次電子（SE）圖像，其他為 TEM-亮場（TEM-BF）圖像。

圖 3. 在不同溫度下時效的 L-PBF 18Ni(300) 試樣中析出物的 HR-TEM 圖像（a-c）和相應(yīng)的 FFT 圖形（d-f）：(a、d）DAT440、（b、e）DAT490 和（c、f）DAT540 試樣。

圖 4. 不同測試條件下的標(biāo)稱應(yīng)變-應(yīng)力曲線（a-c）和用不同方法獲得的高爐易感性指數(shù)（d-f）。

圖 5. 充氫不同時間的拉伸試樣斷裂面的外觀。圖像中標(biāo)注的百分比表示脆性開裂區(qū)域的面積分?jǐn)?shù)。

圖 6. 拉伸試樣（預(yù)充電 3 小時）斷裂表面局部區(qū)域的形態(tài)：(a、d）DAT440、（b、e）DAT490 和（c、f）DAT540 試樣，（d-f）圖像（a-c）中局部放大的區(qū)域。

圖 7. 積聚瞬態(tài)氫滲透曲線（a-c）和測得的表觀擴(kuò)散系數(shù)（d）。

圖 8. 不同測試條件下的熱解吸光譜（TDS）及其擬合曲線。

圖 9. 不同沉淀物/基質(zhì)界面的 HR-TEM 圖像、FFT圖樣和 GPA 結(jié)果。

圖 10. (a) 衰減瞬態(tài)曲線和 (b) 積累瞬態(tài)曲線及其擬合曲線。

圖 11. 充電 24 小時的平板試樣中的模擬氫分布：（a）晶格間隙中的歸一化氫含量，以及（b）陷阱占用率。

本研究關(guān)注了時效溫度對L-PBF 18Ni(300) 鋼 HE 行為的影響。主要結(jié)論如下：(1) 在欠時效狀態(tài)下，彌散的相干ω/基體界面起到了弱陷阱的作用。在峰值時效狀態(tài)下，尖銳的半相干η-Ni3Ti/基體界面由于較高的晶格誤差而成為稍深的陷阱。這種界面性質(zhì)的變化可能決定了兩種狀態(tài)下陷阱密度的不同。(2) 在欠時效狀態(tài)下，最低的陷阱密度導(dǎo)致氫擴(kuò)散速度最快，晶格中的氫含量最高，從而引起最嚴(yán)重的高熱。在峰值時效狀態(tài)下，最高的陷阱密度緩解了這種情況。(3) 在過時效狀態(tài)下，新形成的 Laves-Fe2Mo/ 矩陣界面比 η-Ni3Ti/ 矩陣界面起著稍深的捕集作用，但界面面積的減少降低了捕集密度，反而加速了氫擴(kuò)散。即便如此，還原奧氏體改善的延展性進(jìn)一步緩解了這種狀態(tài)下的高熱敏感性。（文：SSC）