950 工程科学学报，第42卷，第8期 precipitates are more,which leads to a more significant sensitivity to hydrogen embrittlement.In this paper,the permeation,dissolution, and diffusion behavior of H in Fe-Mn-(Al)-C high-strength-and-toughness-steel:the interaction between H and the matrix structure,the precipitated phase,and lattice defects;the model of H in steel;the hydrogen embrittlement mechanism;and the methods of hydrogen embrittlement evaluation were summarized based on the structure,second phase,and crystal defects of Fe-Mn-(Al)-C high-strength- and-toughness steel.The related research work and the latest developments of the hydrogen embrittlement of Fe-Mn-(Al)-C high- strength-and-toughness steel were reviewed.The development direction of the hydrogen embrittlement microstructure mechanism of high-strength-and-toughness steel was revealed by combining first-principle calculations,molecular dynamics simulation,and physical experiments such as hydrogen atom microprinting technology and three-dimensional atomic probe analysis. KEY WORDS low-density steel;twinning-induced plasticity:hydrogen embrittlement;lattice defect;microstructure mechanism 随着第二代、第三代高强汽车钢的抗拉强度 Adsorbed H Normal 超过1000MPa.随之而来的是高强钢的延性断裂 Grain interstitial 问题愈发突出-]在对高强钢延性断裂检测分析 boundary lattice site 中，往往伴随着氢脆(Hydrogen embrittlement,.HE)、 H+vacancy- 氢蚀、氢鼓泡、白点或发纹、显微穿孔、流变性能 H at dislocation core 退化和形成金属氢化物等，极大地损伤了钢基体 and H atmosphere 的性能刂钢的强度级别越高，对氢越敏感，对其 图1晶体缺陷中氢脆现象及示意图两 服役造成了严重的制约阿 Fig.I Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms!4 目前，Fe-Mn-C系、Fe-Mn-Al-C系等含Mn量 界、非金属夹杂物等处 高的汽车结构用钢正受到极大的关注，各种强韧 在内应力、应变或温度变化等作用下，溶解在 化机制的高强韧钢层出不穷61o早期的Fe-Mn-C 钢基相中的氢与第二相、晶体缺陷、夹杂物交互 系TWIP钢(Twinning-induced plasticity,TWIP)借 作用，部分氢在扩散时被某些缺陷捕捉，形成氢陷 鉴了作为耐磨钢的高锰钢四，再通过添加A!元素 阱5-部分暂储在陷阱中的氢借助扩散通道逃 进行轻量化设计成Fe-Mn-A-C系TWIP钢或低 逸出陷阱，形成流动氢原子并择址富聚.作用持续 密度钢（往往含A1质量分数>3%），往往被用在 时间越长，聚集在局域内的氢就会越多，越容易诱 B门柱上，通过相变、孪晶、微带、晶粒细化、第 发氢致脆断7刀 二相析出等方式实现高强韧性的同时，也给加工、 1.1Fe-Mn-(A)-C系钢的组织结构特征 服役过程中氢元素依附钢基体提供了便利的通道 1.11奥氏体、铁素体与马氏体 和陷阱，容易造成延迟断裂2-] Fe-Mn-(AI)C系高强韧钢中Al元素不仅降 本文试图从氢与品体缺陷微观作用机制的角 低了合金密度，还提高了合金层错能，有利于孪晶 度对Fe-Mn-(AI)一C系高强钢中氢陷阱类型与特 的形成8-yA元素还扩大了钢的晶格常数，影响 征、氢与钢中缺陷的交互作用、以及氢脆模型的 到钢中同素异形体的热力学稳定性.当钢中A1含 表达和评价方法等方面进行综述，以期对该类高 量较多，需要添加较多的C元素进行复相组织的 强钢的氢脆及服役性能研究更加清晰、深入. 调控与平衡，且因A!元素的增加易发生奥氏体调 幅分解，生成kappa碳化物，影响到热处理时C和 1Fe-Mn-(AI)-C高强韧性钢中的氢陷阱 Mn在基体中的分布状态和其它析出相的生成.依 在服役环境中大量氢离子的作用下，氢不仅 具体成分和工艺不同，其基体组织主要有FCC奥 存在于基相、第二析出相和夹杂物中，也在晶体缺 氏体、BCC铁素体和HCP马氏体等，其晶格参 陷（如空位、位错、层错、晶界、相界等）中偏聚， 数、原子半径r和原子间隙如表1所示2 如图1所示通常，氢原子、氢离子在钢材表面 受金属晶格中的占位和扩散能垒的影响，氢 通过物理吸附、化学吸附、溶解、扩散等过程才得 在各基相中扩散速率和固溶度也各不相同1-2) 以进入到钢基体某个位置，形成氢原子团、正负氢 就原子晶格排布而言，BCC晶格较FCC、HCP晶 离子或氢分子.由于氢原子直径最小，容易流动到 格明显要松弛，氢原子在BCC品格中的扩散系数 钢基体缺陷部位，如应力集中区和位错密集区、晶 也最大，具有极高的可流动性2通过第一性原理 体点阵的间隙位置，以及气孔、微裂纹、晶界、相 计算(The ab initio calculation),在不同绝对温度precipitates are more, which leads to a more significant sensitivity to hydrogen embrittlement. In this paper, the permeation, dissolution, and diffusion behavior of H in Fe−Mn−(Al)−C high-strength-and-toughness-steel; the interaction between H and the matrix structure, the precipitated phase, and lattice defects; the model of H in steel; the hydrogen embrittlement mechanism; and the methods of hydrogen embrittlement evaluation were summarized based on the structure, second phase, and crystal defects of Fe−Mn−(Al)−C high-strength￾and-toughness  steel.  The  related  research  work  and  the  latest  developments  of  the  hydrogen  embrittlement  of  Fe−Mn−(Al)−C  high￾strength-and-toughness  steel  were  reviewed.  The  development  direction  of  the  hydrogen  embrittlement  microstructure  mechanism  of high-strength-and-toughness steel was revealed by combining first-principle calculations, molecular dynamics simulation, and physical experiments such as hydrogen atom microprinting technology and three-dimensional atomic probe analysis. KEY WORDS    low-density steel；twinning-induced plasticity；hydrogen embrittlement；lattice defect；microstructure mechanism 随着第二代、第三代高强汽车钢的抗拉强度 超过 1000 MPa，随之而来的是高强钢的延性断裂 问题愈发突出[1−2] . 在对高强钢延性断裂检测分析 中，往往伴随着氢脆（Hydrogen embrittlement, HE）、 氢蚀、氢鼓泡、白点或发纹、显微穿孔、流变性能 退化和形成金属氢化物等，极大地损伤了钢基体 的性能[3−4] . 钢的强度级别越高，对氢越敏感，对其 服役造成了严重的制约[5] . 目前，Fe−Mn−C 系、Fe−Mn−Al−C 系等含 Mn 量 高的汽车结构用钢正受到极大的关注，各种强韧 化机制的高强韧钢层出不穷[6−10] . 早期的 Fe−Mn−C 系 TWIP 钢 （ Twinning-induced  plasticity， TWIP） 借 鉴了作为耐磨钢的高锰钢[11] ，再通过添加 Al 元素 进行轻量化设计成 Fe−Mn−Al−C 系 TWIP 钢或低 密度钢（往往含 Al 质量分数>3%） ，往往被用在 B 门柱上. 通过相变、孪晶、微带、晶粒细化、第 二相析出等方式实现高强韧性的同时，也给加工、 服役过程中氢元素依附钢基体提供了便利的通道 和陷阱，容易造成延迟断裂[12−13] . 本文试图从氢与晶体缺陷微观作用机制的角 度对 Fe−Mn−(Al)−C 系高强钢中氢陷阱类型与特 征、氢与钢中缺陷的交互作用、以及氢脆模型的 表达和评价方法等方面进行综述，以期对该类高 强钢的氢脆及服役性能研究更加清晰、深入. 1    Fe−Mn−(Al)−C 高强韧性钢中的氢陷阱 在服役环境中大量氢离子的作用下，氢不仅 存在于基相、第二析出相和夹杂物中，也在晶体缺 陷（如空位、位错、层错、晶界、相界等）中偏聚， 如图 1 所示[14] . 通常，氢原子、氢离子在钢材表面 通过物理吸附、化学吸附、溶解、扩散等过程才得 以进入到钢基体某个位置，形成氢原子团、正负氢 离子或氢分子. 由于氢原子直径最小，容易流动到 钢基体缺陷部位，如应力集中区和位错密集区、晶 体点阵的间隙位置，以及气孔、微裂纹、晶界、相 界、非金属夹杂物等处. 在内应力、应变或温度变化等作用下，溶解在 钢基相中的氢与第二相、晶体缺陷、夹杂物交互 作用，部分氢在扩散时被某些缺陷捕捉，形成氢陷 阱[15−16] . 部分暂储在陷阱中的氢借助扩散通道逃 逸出陷阱，形成流动氢原子并择址富聚. 作用持续 时间越长，聚集在局域内的氢就会越多，越容易诱 发氢致脆断[17] . 1.1    Fe−Mn−(Al)−C 系钢的组织结构特征 1.1.1    奥氏体、铁素体与马氏体 Fe−Mn−(Al)−C 系高强韧钢中 Al 元素不仅降 低了合金密度，还提高了合金层错能，有利于孪晶 的形成[18−19] . Al 元素还扩大了钢的晶格常数，影响 到钢中同素异形体的热力学稳定性. 当钢中 Al 含 量较多，需要添加较多的 C 元素进行复相组织的 调控与平衡，且因 Al 元素的增加易发生奥氏体调 幅分解，生成 κappa 碳化物，影响到热处理时 C 和 Mn 在基体中的分布状态和其它析出相的生成. 依 具体成分和工艺不同，其基体组织主要有 FCC 奥 氏体、 BCC 铁素体和 HCP 马氏体等 ，其晶格参 数、原子半径 r 和原子间隙如表 1 所示[20] . 受金属晶格中的占位和扩散能垒的影响，氢 在各基相中扩散速率和固溶度也各不相同[21−23] . 就原子晶格排布而言，BCC 晶格较 FCC、HCP 晶 格明显要松弛，氢原子在 BCC 晶格中的扩散系数 也最大，具有极高的可流动性[24] . 通过第一性原理 计算（ The ab initio calculation） ，在不同绝对温度 Adsorbed H Normal interstitial lattice site H+vacancy H at dislocation core and H atmosphere Grain boundary 图 1    晶体缺陷中氢脆现象及示意图[14] Fig.1    Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms[14] · 950 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期