章小峰等：Fe-M-(A)-C高强韧性钢氢脆微观机制的研究进展 953 言，没有哪种晶界能为氢原子提供快速扩散通道， 会产生HE裂纹，但对于超高强度钢，其临界氢含 但较开放的结构(BCC∑5和FCC∑I1)有利于氢原 量要低得多，有的甚至只有0.1×106~1×106也会 子沿晶界面扩散，从而可以将氢扩散到其它缺陷， 发生氢致断裂 如晶界结合部位（某种界面的中间(Intermediate,. 2.1钢中氢的渗透、溶解与扩散行为 im)和界面(Interface,if)的间隙吸附位)或位错，如 在有氢环境中，氢分子主要通过表面吸附、氢 图6描述了BCC、FCC晶体中各种晶界中氢溶解 分子离解、氢原子吸附等物理化学反应过程向钢 能△EB9 中渗透.另外，在阴极电解充氢时，在钢材表面上 1.3特殊元素的作用 析出的原子氢也能扩散进入基体.氢在钢中可能 成分设计时，除考虑Fe-Mn-(A)-C钢主成分 形成固溶体、氢化物、分子状态氢气，也可能与金 以外，往往由于某些特殊性能要求，还会在主成分 属中的第二相进行化学反应而生成气体产物（如 基础上再添加其它某种元素，如Si、Re、Cu、P、 “甲烷反应”)钢材服役过程中，氢与各类陷阱的 V等4o切这些少量元素的加人，有时不仅改变了 结合、激活随能量起伏而在钢中扩散、聚集，图7 基相、第二相的构成、比例、形态等，也会改变晶 是各种状态的氢在钢中的渗透、溶解与扩散与能 体缺陷的类别、数量，对钢材的氢陷阱位置、氢扩 量关系的示意图4s-7 散、氢致损伤机制等有着直接的影响)] 氢在钢中的渗透、扩散和固溶与氢在各种陷 阱的结合能、激活能直接关联，如果陷阱结合能 2高强韧性钢中的氢脆 E,较小（一般<60 kJ-mol),氢就容易从陷阱中逸 钢中的氢从其冶炼就开始存在，在成形、服役 出而进入间隙原子位置，形成可逆陷阱.相反，若 过程中，有氢环境还会继续与钢基相互作用.一般 E,较大（≥60kJmo厂），则氢难以从陷阱中逸出， 而言，钢中氢的质量分数在5×106~10×106时就 形成不可逆陷阱.钢材在服役时往往是在室温，可 TB(11) undary of twin bundle B Dislocatlon Sbstitution atom of "layer itutionl atom of 2 lave Boundaries of twin lamella (a) (b) (c) (d) 图5变形孪品界氢俘获示意图(TB:孪品界)网.()变形李品尖端的应力集中：(b)位错李品交叉形成的台阶处的应变场：(c)伪孪品形成引起的 品格畸变：()变形孪品的纳米结构，包括位错和纳米孪品带 Fig.5 Schematics describing the factors affecting hydrogen trapping at the deformation twin boundaries(TB:twin boundary):(a)stress concentration at a tip of a deformation twin,(b)strain field at the steps formed by the dislocation-twin intersection;(c)lattice distortion due to pseudo-twin formation, (d)nanoscale structure of deformation twins,including dislocations and nanotwin plates 0.4 a ●∑3(tetra) b 3(octa) O E3(non-tetra) 0.2 ∑11(octa) 0.2 ■Σ5(tetra) ㄇΣI1(non-octa) oΣ5(non-tetra) O-site fcc Fe T-site bcc Fe 11-iml ▣ Σ11-if1 5-im2 -02 3-9n -0.2 5-i 0.4 -4 5.5 6.0 65 7.0 7.5 5.0 55 6.0 V710-3nm) V(10 nm3) 图6氢在不同位置的溶解能网(a)BCC铁中的四面体位和BCC∑3，BCC∑5品界内各种中间(m)和界面(D的间隙吸附位：(b)FCC铁中的八 面体位，FCC∑3和FCC∑I1Fe品界内各种中间(im)和界面(i0的间隙吸附位 Fig.6 Solution energy of hydrogen as a function of the volume of the interstitial sitel3:(a)tetrahedral sites in BCC Fe and various intermediate(im)and interface(if)interstitial adsorption sites within BCC3 and BCC5 Fe grain boundaries,(b)octahedral sites in FCC Fe and various intermediate(im)and interface(if)interstitial adsorption sites within FCC3,and FCC11 Fe grain boundaries言，没有哪种晶界能为氢原子提供快速扩散通道， 但较开放的结构（BCC∑5 和 FCC∑11）有利于氢原 子沿晶界面扩散，从而可以将氢扩散到其它缺陷， 如晶界结合部位（某种界面的中间（ Intermediate, im）和界面（Interface, if）的间隙吸附位）或位错，如 图 6 描述了 BCC、FCC 晶体中各种晶界中氢溶解 能 ΔE [39] . 1.3    特殊元素的作用 成分设计时，除考虑 Fe−Mn−(Al)−C 钢主成分 以外，往往由于某些特殊性能要求，还会在主成分 基础上再添加其它某种元素 ，如 Si、 Re、 Cu、 P、 V 等[40−42] . 这些少量元素的加入，有时不仅改变了 基相、第二相的构成、比例、形态等，也会改变晶 体缺陷的类别、数量，对钢材的氢陷阱位置、氢扩 散、氢致损伤机制等有着直接的影响[43] . 2    高强韧性钢中的氢脆 钢中的氢从其冶炼就开始存在，在成形、服役 过程中，有氢环境还会继续与钢基相互作用. 一般 而言，钢中氢的质量分数在 5×10−6～10×10−6 时就 会产生 HE 裂纹，但对于超高强度钢，其临界氢含 量要低得多，有的甚至只有 0.1×10−6～1×10−6 也会 发生氢致断裂[44] . 2.1    钢中氢的渗透、溶解与扩散行为 在有氢环境中，氢分子主要通过表面吸附、氢 分子离解、氢原子吸附等物理化学反应过程向钢 中渗透. 另外，在阴极电解充氢时，在钢材表面上 析出的原子氢也能扩散进入基体. 氢在钢中可能 形成固溶体、氢化物、分子状态氢气，也可能与金 属中的第二相进行化学反应而生成气体产物（如 “甲烷反应”）. 钢材服役过程中，氢与各类陷阱的 结合、激活随能量起伏而在钢中扩散、聚集，图 7 是各种状态的氢在钢中的渗透、溶解与扩散与能 量关系的示意图[45−47] . 氢在钢中的渗透、扩散和固溶与氢在各种陷 阱的结合能、激活能直接关联. 如果陷阱结合能 Eb 较小（一般<60 kJ·mol−1），氢就容易从陷阱中逸 出而进入间隙原子位置，形成可逆陷阱. 相反，若 Eb 较大（≥60 kJ·mol−1），则氢难以从陷阱中逸出， 形成不可逆陷阱. 钢材在服役时往往是在室温，可 Twin Twin Twin TB TB (111) Octahedron sites 1/6[211](111) Boundary of twin bundle - - - - (a) (b) (c) (d) Substitutional atom of 1st layer Substitutional atom of 2nd laver Carbon in a tetrahedral site Dislocatlon Boundaries of twin lamella 图 5    变形孪晶界氢俘获示意图（TB：孪晶界）[38] . （a）变形孪晶尖端的应力集中；（b）位错孪晶交叉形成的台阶处的应变场；（c）伪孪晶形成引起的 晶格畸变；（d）变形孪晶的纳米结构，包括位错和纳米孪晶带 Fig.5    Schematics describing the factors affecting hydrogen trapping at the deformation twin boundaries (TB: twin boundary)[38] : (a) stress concentration at a tip of a deformation twin; (b) strain field at the steps formed by the dislocation–twin intersection; (c) lattice distortion due to pseudo-twin formation; (d) nanoscale structure of deformation twins, including dislocations and nanotwin plates Δ E/eV 0.4 0.2 0 −0.2 −0.4 6.5 7.0 7.5 V/(10−3 nm3 ) V/(10−3 nm3 ) 5.5 6.0 Σ3−if1 Σ5−if1 Σ5−im2 Σ5 (non-tetra) T-site bcc Fe Σ5 (tetra) Σ3 (non-tetra) Σ3 (tetra) Σ5−if3 (a) Δ E/eV 0.2 0 −0.2 −0.4 5.0 5.5 6.0 Σ11−if1 Σ11−im1 O-site fcc Fe Σ11 (non-octa) Σ11 (octa) Σ3 (octa) (b) 图 6    氢在不同位置的溶解能[39] . （a）BCC 铁中的四面体位和 BCC∑3, BCC∑5 晶界内各种中间 (im) 和界面 (if) 的间隙吸附位；（b）FCC 铁中的八 面体位, FCC∑3 和 FCC∑11 Fe 晶界内各种中间 (im) 和界面 (if) 的间隙吸附位 Fig.6    Solution energy of hydrogen as a function of the volume of the interstitial site[39] : (a) tetrahedral sites in BCC Fe and various intermediate (im) and interface (if) interstitial adsorption sites within BCC∑3 and BCC∑5 Fe grain boundaries; (b) octahedral sites in FCC Fe and various intermediate (im) and interface (if) interstitial adsorption sites within FCC∑3, and FCC∑11 Fe grain boundaries 章小峰等： Fe−Mn−(Al)−C 高强韧性钢氢脆微观机制的研究进展 · 953 ·