章小峰等：Fe-M-(A)-C高强韧性钢氢脆微观机制的研究进展 951 表1a-Fe、-Fe和&-Fe的品格特征 Table 1 Crystallographic characteristics of a-Fe.y-Fe,and E-Fe structures Type of crystal structure Lattice constant/nm Atomic radius,r/nm Size of tetrahedral Size of octahedral Hydrogen atomic radius/ interstice/nm interstice/nm nm FCC a=b=c=0.344 r=V2a/4=0.1216 0.225=0.0274 0.414=0.0503 0.037 BCC a=b==0.286 r=V5a/4=0.1238 0.291=0.0360 0.154=0.0191 HCP =b=0.245,cla=0.1584 r=a/2=0.1225 0.225=0.0275 0.414=0.0507 (T)条件下，得出氢在BCC、FCC和HCP晶体的扩 径沿O位一T位一O位；在HCP铁晶体中，氢原子 散系数分别为1.379×10e-12mcm2-g、3.22× 稳定扩散路径是从O位一0位，氢扩散的迁移能 10e-842s0cm2s1和6.161×10e-8830ncm2s-12 比在FCC晶格中高，这导致了H在HCP晶格中的 就晶体结构而言，FCC、BCC、HCP晶体中均 低扩散率，且氢在HCP晶格中扩散具有依赖于 存在四面体(Tetrahedral site,T位)和八面体 cla比的各向异性1鉴于钢的晶体结构与成分、 (Octahedral site,.O位)两种类型的间隙，如图2所 温度密切相关，氢原子在不同状态钢中的溶解度、 示只不过各晶体结构中的T位、O位间隙大小 扩散也随之变化，影响到氢原子在BCC、FCC、HCP 不一样，氢原子迁移其间的难易程度不一因氢原 各晶体结构中位置及迁移所需能量26-2刃图3描 子半径为0.037nm,故FCC、BCC、HCP晶格间隙中 述了氢原子在各晶格中不同位点及迁移路径，其 比较适合氢原子的位置分别是O位、T位、O位 能量消耗与氢的迁移路径有关32测，表2描述了 H在各晶体中扩散的迁移能23,2) 1.1.2第二相 在Fe-Mn-(AI)-C系高强韧钢中，当AI质量分 Octahedral 数低于3%时，主要是存在大量孪晶的奥氏体钢 interstice 当A1质量分数较高时(3%~13%)，往往在奥氏 体或铁素体基体中析出kappa碳化物、金属间化 Tetrahedral 合物(B2、DO3型FC-Al相)、B-Mn等第二相2 ● interstice (a)FCC (b)BCC (c)HCP (d) kappa碳化物是一种钙钛矿立方晶体结构，由 Al原子占据立方体的八个顶角，Fe原子占据六个 图2铁的三种品体结构(a)面心立方结构：(b)体心立方结构： (c)密排六方结构：(d)H在八面体和四面体间隙 面心位置，C原子处于立方晶胞的中心位置，分子 Fig.2 Three crystal structures of iron1:(a)face-centered cubic 式为Fe:AlC;Fe-A型B2、DO3相是一类易从a铁 structure;(b)body-centered cubic structure;(c)close-packed hexagonal 素体中析出的BCC晶格点阵，分子式分别为 structure;(d)diagrams of H in octahedral and tetrahedral interstices FeAl、FeAl:B-Mn是一种立方结构的锰元素异构 就抗氢能力而言，通常HCP结构>FCC结构> 体，B-Mn每个品胞中有20个原子，Wyckoff晶体 BCC结构.在BCC晶体中，氢原子稳定扩散路径 学位点为8c和12d,容易与y-Fe共存B0在服役过 是从四面体间隙迁移到最近的四面体位置 程中，此类析出相与氢作用密切，对钢材塑韧性有 (T一T):在FCC、FCT晶体中，氢原子稳定扩散路 极大的损伤B BCC C℃ HCP 图3氢原子在BCC、FCC和HCP晶格的迁移路径网 Fig3 Migration path of hydrogen atom in BCC.FCC,and HCP crystalline lattices（T）条件下，得出氢在 BCC、FCC 和 HCP 晶体的扩 散 系 数 分 别 为 1.379×10−4e (−1120/T) cm2 ·s−1、 3.22× 10−4e (−8425/T) cm2 ·s−1 和 6.161×10−4e (−8830/T) cm2 ·s−1[25] . 就晶体结构而言，FCC、BCC、HCP 晶体中均 存 在 四 面 体 （ Tetrahedral  site， T 位 ） 和 八 面 体 （Octahedral site，O 位）两种类型的间隙，如图 2 所 示[25] . 只不过各晶体结构中的 T 位、O 位间隙大小 不一样，氢原子迁移其间的难易程度不一. 因氢原 子半径为 0.037 nm，故 FCC、BCC、HCP 晶格间隙中 比较适合氢原子的位置分别是 O 位、T 位、O 位. 就抗氢能力而言，通常 HCP 结构>FCC 结构> BCC 结构. 在 BCC 晶体中，氢原子稳定扩散路径 是 从 四 面 体 间 隙 迁 移 到 最 近 的 四 面 体 位 置 （T—T）；在 FCC、FCT 晶体中，氢原子稳定扩散路 径沿 O 位—T 位—O 位；在 HCP 铁晶体中，氢原子 稳定扩散路径是从 O 位—O 位，氢扩散的迁移能 比在 FCC 晶格中高，这导致了 H 在 HCP 晶格中的 低扩散率，且氢在 HCP 晶格中扩散具有依赖于 c/a 比的各向异性[23] . 鉴于钢的晶体结构与成分、 温度密切相关，氢原子在不同状态钢中的溶解度、 扩散也随之变化，影响到氢原子在 BCC、FCC、HCP 各晶体结构中位置及迁移所需能量[26−27] . 图 3 描 述了氢原子在各晶格中不同位点及迁移路径，其 能量消耗与氢的迁移路径有关[23, 28] ，表 2 描述了 H 在各晶体中扩散的迁移能[23, 25] . 1.1.2    第二相 在 Fe−Mn−(Al)−C 系高强韧钢中，当 Al 质量分 数低于 3% 时，主要是存在大量孪晶的奥氏体钢. 当 Al 质量分数较高时（ 3%～13%），往往在奥氏 体或铁素体基体中析出 κappa 碳化物、金属间化 合物 （ B2、 DO3 型 Fe−Al 相 ） 、 β-Mn 等第二相 [29] . κappa 碳化物是一种钙钛矿立方晶体结构 ， 由 Al 原子占据立方体的八个顶角，Fe 原子占据六个 面心位置，C 原子处于立方晶胞的中心位置，分子 式为 Fe3AlC；Fe−Al 型 B2、DO3 相是一类易从 α 铁 素 体 中 析 出 的 BCC 晶 格 点 阵 ， 分 子 式 分 别 为 FeAl、Fe3Al；β-Mn 是一种立方结构的锰元素异构 体 ，β-Mn 每个晶胞中有 20 个原子，Wyckoff 晶体 学位点为 8c 和 12d，容易与 γ-Fe 共存[30] . 在服役过 程中，此类析出相与氢作用密切，对钢材塑韧性有 极大的损伤[31] . 表 1  α-Fe、γ-Fe 和 ε-Fe 的晶格特征 Table 1 Crystallographic characteristics of α-Fe，γ-Fe, and ε-Fe structures Type of crystal structure Lattice constant/ nm Atomic radius, r/ nm Size of tetrahedral interstice/ nm Size of octahedral interstice/ nm Hydrogen atomic radius/ nm FCC a=b=c=0.344 r = √ 2a/4 = 0.1216 0.225r=0.0274 0.414r=0.0503 0.037 BCC a=b=c=0.286 r = √ 3a/4 = 0.1238 0.291r=0.0360 0.154r=0.0191 HCP a=b=0.245, c/a=0.1584 r=a/2 = 0.1225 0.225r=0.0275 0.414r=0.0507 (a) FCC (b) BCC (c) HCP (d) Octahedral interstice Tetrahedral interstice 图 2    铁的三种晶体结构[25] . （a）面心立方结构；（b）体心立方结构； （c）密排六方结构；（d）H 在八面体和四面体间隙 Fig.2     Three  crystal  structures  of  iron[25] :  (a)  face-centered  cubic structure; (b) body-centered cubic structure; (c) close-packed hexagonal structure; (d) diagrams of H in octahedral and tetrahedral interstices BCC O S T1 T3 T2 S1 O1 O2 S O3 3 S2 T FCC S1 O1 O3 S3 O2 S2 T HCP 图 3    氢原子在 BCC、FCC 和 HCP 晶格的迁移路径[23, 28] Fig.3    Migration path of hydrogen atom in BCC, FCC, and HCP crystalline lattices[23, 28] 章小峰等： Fe−Mn−(Al)−C 高强韧性钢氢脆微观机制的研究进展 · 951 ·