324 工程科学学报，第43卷，第3期 观察到钢基体中氢在NbC相界面处有明显的偏 C等合金元素主要通过提高表面锈层致密性而提 聚9.值得注意的是，尽管尺寸越细小的纳米析出 高耐蚀性不同，Nb、V和Ti等微合金元素不仅在 相附近共格应变场与氢有更大的结合能，但研究 一定程度上提高锈层致密性，也通过调控钢的基 发现当尺寸小于3m时，钢中纳米析出相将失去 体组织、抑制氢的扩散而提高耐蚀性545约析出相 吸附氢的能力，这可能与析出相界面吸附氢的具 或夹杂物等第二相对钢基体阳极溶解的促进作用 体方式及位置有关，s别对于非共格析出相，此前 与其尺寸有关.高强度低合金钢中纳米析出相细 观点一直认为其在低温下并不具有吸附氢的能 小、弥散，且体积分数占比不大(0.02%即可产生 力，氢仅能在高温时被吸附于析出相内部某些空 强化效果)，故其对钢基体阳极溶解的促进作用相 位中而最近有研究表明，低温下非共格析出 对有限2阿 相相界面处同样可以吸附一定量的氢60，但总的来 钢基体耐均匀腐蚀能力和其整体热力学稳定 说非共格析出相低温下吸附氢的能力相对较弱 性密切相关，化学成分、基体组织和内部应力的不 均匀均会促进腐蚀发生565刃，特别是环境介质中 (a)Fe 氢的渗入将降低钢基体阳极溶解的活化能，加速 阳极溶解刷.一般而言，高强度低合金钢中尺寸细 小(3~10nm)的纳米析出相并不会促进钢基体阳 极溶解，而通过其细化晶粒、促进组织均匀化可以改 善钢基体的耐蚀性能9-6创此外，纳米析出相通过 其氢陷阱效应抑制氢的扩散、降低晶格内可扩散 氢浓度，这可以极大减小氢对钢基体阳极溶解的 促进作用.因此当钢中含一定量氢时，纳米析出相 降低钢的腐蚀速率效果更加显著，如图3所示60-) (b) Ic) H.Nb:C 49nm×45nm×35nm 而如果将Nb、V、Ti和Cu、Mo、Cr等合金元素同 时添加进行复合微合金化时，由于各元素的协同 作用，钢的耐蚀性能会得到更加全面的提升62-6] 高强度低合金钢常常需要焊接使用，由于焊 nm 接熔融及其导致的不均匀受热和冷却，焊接区域 极容易出现化学成分和组织不均匀，成为工程结 图2高强度低合金钢中元素三维空间分布(a)原子分布图：(b) 构中薄弱的位置，这种薄弱不仅表现在强韧性等 (a)中绿框内原子分数7.4%(C+Nb)等浓度表面：(c)等浓度面内C、 力学方面，更重要的是焊接区域腐蚀敏感性极 Nb和H分布 Fig.2 Element distributions in high-strength low-alloy steell:(a)atom 大6侧.减少焊接区域显微缺陷和残余应力、促进化 maps;(b)atom fraction of 7.4%(C+Nb)isoconcentration surfaces of the 学成分和组织的均匀化是提高焊接区域的耐蚀性 region enclosed in a green box;(c)distributions of C,Nb,and H atoms 能的根本出发点.同母材的纳米析出相一样，焊接 inside the isoconcentration surfaces 区内的纳米析出相同样可以促进组织均匀化，改 由于氢陷阱对氢的吸附作用，钢基体中的共 善焊缝区域的力学性能和耐蚀性能[6sNb、 格和半共格纳米析出相可以抑制氢的扩散.增加 V和Ti等微合金化元素形成的纳米析出相还可以 高强度低合金钢中细小弥散分布的纳米析出相， 抑制焊缝及热影响区晶粒的粗化67-8，使焊接部 可以增加不可逆氢陷阱数量，降低氢原子在钢基 位腐蚀产物更加致密，起到保护底层钢基体的作 体中的扩散速率，其效果与纳米析出相的尺寸和 用阿在某些情况下，高强度低合金钢焊接区域的 体积分数有关四 失效破坏源自内部高应力或游离氢，通过纳米析 2纳米析出相对均匀腐蚀的影响 出相降低焊接区固溶碳含量及内部应力、降低游 离氢含量、抑制氢扩散，在一定程度上也可以起到 当暴露在大气或海水等腐蚀环境中时，高强 防止失效破坏的作用67，例 度低合金钢及其焊接区很容易发生均匀腐蚀52-5] 3纳米析出相对应力腐蚀开裂的影响 通过合金化提高钢的耐蚀性能是防止腐蚀破坏 的最有效措施，但与在低合金钢中添加Cu、P和 高强度低合金钢在实际服役过程中，容易受腐观察到钢基体中氢在 NbC 相界面处有明显的偏 聚[49] . 值得注意的是，尽管尺寸越细小的纳米析出 相附近共格应变场与氢有更大的结合能，但研究 发现当尺寸小于 3 nm 时，钢中纳米析出相将失去 吸附氢的能力，这可能与析出相界面吸附氢的具 体方式及位置有关[44, 51] . 对于非共格析出相，此前 观点一直认为其在低温下并不具有吸附氢的能 力，氢仅能在高温时被吸附于析出相内部某些空 位中[44, 46] . 而最近有研究表明，低温下非共格析出 相相界面处同样可以吸附一定量的氢[50] ，但总的来 说非共格析出相低温下吸附氢的能力相对较弱. Fe C Nb H Cr Mn Si 25 nm 5 nm 5 nm (b) (c) H Nb C 49 nm×45 nm×35 nm (a) 图 2    高强度低合金钢中元素三维空间分布[49] . （a）原子分布图；（b） （a）中绿框内原子分数 7.4% (C + Nb) 等浓度表面；（c）等浓度面内 C、 Nb 和 H 分布 Fig.2    Element distributions in high-strength low-alloy steel[49] : (a) atom maps; (b) atom fraction of 7.4% (C + Nb) isoconcentration surfaces of the region enclosed in a green box; (c) distributions of C, Nb, and H atoms inside the isoconcentration surfaces 由于氢陷阱对氢的吸附作用，钢基体中的共 格和半共格纳米析出相可以抑制氢的扩散. 增加 高强度低合金钢中细小弥散分布的纳米析出相， 可以增加不可逆氢陷阱数量，降低氢原子在钢基 体中的扩散速率，其效果与纳米析出相的尺寸和 体积分数有关[32] . 2    纳米析出相对均匀腐蚀的影响 当暴露在大气或海水等腐蚀环境中时，高强 度低合金钢及其焊接区很容易发生均匀腐蚀[52−53] . 通过合金化提高钢的耐蚀性能是防止腐蚀破坏 的最有效措施，但与在低合金钢中添加 Cu、P 和 Cr 等合金元素主要通过提高表面锈层致密性而提 高耐蚀性不同，Nb、V 和 Ti 等微合金元素不仅在 一定程度上提高锈层致密性，也通过调控钢的基 体组织、抑制氢的扩散而提高耐蚀性[54−55] . 析出相 或夹杂物等第二相对钢基体阳极溶解的促进作用 与其尺寸有关. 高强度低合金钢中纳米析出相细 小、弥散，且体积分数占比不大（0.02% 即可产生 强化效果），故其对钢基体阳极溶解的促进作用相 对有限[25] . 钢基体耐均匀腐蚀能力和其整体热力学稳定 性密切相关，化学成分、基体组织和内部应力的不 均匀均会促进腐蚀发生[56−57] ，特别是环境介质中 氢的渗入将降低钢基体阳极溶解的活化能，加速 阳极溶解[58] . 一般而言，高强度低合金钢中尺寸细 小（3～10 nm）的纳米析出相并不会促进钢基体阳 极溶解，而通过其细化晶粒、促进组织均匀化可以改 善钢基体的耐蚀性能[59−61] . 此外，纳米析出相通过 其氢陷阱效应抑制氢的扩散、降低晶格内可扩散 氢浓度，这可以极大减小氢对钢基体阳极溶解的 促进作用. 因此当钢中含一定量氢时，纳米析出相 降低钢的腐蚀速率效果更加显著，如图 3 所示[60−61] . 而如果将 Nb、V、Ti 和 Cu、Mo、Cr 等合金元素同 时添加进行复合微合金化时，由于各元素的协同 作用，钢的耐蚀性能会得到更加全面的提升[62−63] . 高强度低合金钢常常需要焊接使用，由于焊 接熔融及其导致的不均匀受热和冷却，焊接区域 极容易出现化学成分和组织不均匀，成为工程结 构中薄弱的位置，这种薄弱不仅表现在强韧性等 力学方面，更重要的是焊接区域腐蚀敏感性极 大[64] . 减少焊接区域显微缺陷和残余应力、促进化 学成分和组织的均匀化是提高焊接区域的耐蚀性 能的根本出发点. 同母材的纳米析出相一样，焊接 区内的纳米析出相同样可以促进组织均匀化，改 善焊缝区域的力学性能和耐蚀性能 [65−66] . Nb、 V 和 Ti 等微合金化元素形成的纳米析出相还可以 抑制焊缝及热影响区晶粒的粗化[67−68] ，使焊接部 位腐蚀产物更加致密，起到保护底层钢基体的作 用[55] . 在某些情况下，高强度低合金钢焊接区域的 失效破坏源自内部高应力或游离氢，通过纳米析 出相降低焊接区固溶碳含量及内部应力、降低游 离氢含量、抑制氢扩散，在一定程度上也可以起到 防止失效破坏的作用[67, 69] . 3    纳米析出相对应力腐蚀开裂的影响 高强度低合金钢在实际服役过程中，容易受腐 · 324 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期