956 工程科学学报，第42卷，第8期 裂和宏观脆性断裂有关，如图12所示3s别 Pre- 在品界处偏聚的氢不仅会影响品界的强度， twinned 也会对不同晶粒尺寸的晶界处氢扩散、晶界运动 影响巨大.不同晶粒度Fe-31Mn-3Al-3Si钢的充 Increasing strain level 氢实验表明晶粒越细小，氢富集程度越低9.这主 要因为晶粒细小时，单位体积的晶界面积越大，晶 As 界上的氢含量也就越低，氢扩散量就越大，越不容 received 易引起氢集中，延缓了裂纹的产生，表6计算了不 同晶粒度晶界处的氢扩散 Grain boundary Pre-induced Twins 2.2.2氢与析出相的作用 Mechanical Twins Dislocations Hydrogen atoms 对于低Al高Mn含量的Fe-Mn-Al-C钢，变 图10预诱导李品阻碍冷轧样品充氢后位错滑移的示意图 形时存在大量孪晶，其强化机制主要是TWP,且 Fig.10 Graphical illustration showing the effect of preinduced twins on preventing dislocation slip after H-charging in cold-rolled sample 在奥氏体晶界处易析出MC型碳化物例；而高 Al高Mn含量的Fe-Mn-Al-C钢，具有很高的层 抗氢脆性能.这可能是由于氢容易在含Al的Fe-Mn-C 错能，机械孪品大大减少，往往析出大量kappa碳 钢表面形成一层致密氧化铝层阻碍了氢的进入，且 化物6o晶界M3C型碳化物明显倾向于晶间断 钢基体的氢溶解度增加，局域残余应力降低，导致 裂，而A!的加入抑制了品界渗碳体的形成，显著 特定晶界处能富集更多的氢，增强了HE抵抗力 提高了延迟断裂的抗力.而氢对钢中kappa碳化 且A1降低了氢吸收和腐蚀动力，也增加了抗HE性 物Fe3AlC、DO3型析出相Fe3Al的作用表明：其脆 能，不同含A1量的TWIP钢的充氢吸收率与温度 化行为与合金中的碳含量有关，低碳合金(C质量 关系，及氢扩散量与断裂应力关系见图112，网 分数<0.05%)的氢脆发生在FeAl相，高碳合金 随着A!含量的增加，含AI的TWIP钢中的扩 (C质量分数≥1%)的氢脆发生在枝晶间区，且基 散氢捕集位点少.机械孪晶分布更均匀，并形成了 体因含有Fe3AIC碳化物而氢脆，但Fe3AIC碳化物 较强的〈111〉和〈100〉织构，氢随可动位错长 限制了裂纹的扩展6 程输送的能力降低，降低了氢扩散的驱动力7-s 鉴于kappa碳化物的化学式构成及晶体结构 A!含量增加不仅显著地降低了钢材密度，也呈现 特征，氢易于与其结合形成一种较为稳定氢化物 了不同的强韧性机制，钢中的A!对氢脆的影响也 (Fe3AlH).基于密度泛函理论(Density-functional 会不同.对奥氏体基Fe-26Mn-11A-1.2C充氢研 theory,.DFT),Timmerscheidt等6计算了kappa碳 究表明：氢致断裂机制主要为三叉晶界开裂和滑 化物与溶解在其中氢的相互作用，H-H的相互作 移辅助品界开裂，前者在FCC晶体中较常见，后者 用在短距离内表现出强的排斥力，而C-H在长距 与含有kappa碳化物的Fe-Mn-Al-C内的滑移局 离内表现出强的排斥力，且直接相邻的碳和氢原 部化导致沿晶界形成空洞，引起微观韧性晶间开 子抑制了长程相互作用.kappa碳化物捕获扩散氢 4.0 2400, (a) (b) (S 3.5Pre-charged at 60 A.m for 9 h--1.5 Al --0A1 2200 3.0 -4-2.5A --3.5A1 2.5 uon dosap 2.0 3.5AI 1.5 1800 ▲2.5A1 -1.5A1 1.0 1600 0A1 0 1400 50 100150200 250 300 0 5 101520 25 Temperature/C Diffusible [H1/10 图11Fe-18M-xAl钢的热解吸分析(TDA)曲线和断裂应力B,2w.(a)相同充氢条件下的TDA:(b)不同扩散氢条件下缺口试样的断裂应力 Fig.11 TDA profiles and fracture stress with different Al contents in Fe-18Mn-xAl stees(a)TDA profiles at an identical hydrogen charging condition;(b)plot of fracture stress of notched specimens against diffusible hydrogen content抗氢脆性能. 这可能是由于氢容易在含Al 的Fe−Mn−C 钢表面形成一层致密氧化铝层阻碍了氢的进入，且 钢基体的氢溶解度增加，局域残余应力降低，导致 特定晶界处能富集更多的氢，增强了 HE 抵抗力. 且 Al 降低了氢吸收和腐蚀动力，也增加了抗 HE 性 能，不同含 Al 量的 TWIP 钢的充氢吸收率与温度 关系，及氢扩散量与断裂应力关系见图 11[13, 42, 58] . 随着 Al 含量的增加，含 Al 的 TWIP 钢中的扩 散氢捕集位点少. 机械孪晶分布更均匀，并形成了 较强的〈111〉和〈100〉织构，氢随可动位错长 程输送的能力降低，降低了氢扩散的驱动力[57−59] . Al 含量增加不仅显著地降低了钢材密度，也呈现 了不同的强韧性机制，钢中的 Al 对氢脆的影响也 会不同. 对奥氏体基 Fe−26Mn−11Al−1.2C 充氢研 究表明：氢致断裂机制主要为三叉晶界开裂和滑 移辅助晶界开裂，前者在 FCC 晶体中较常见，后者 与含有 κappa 碳化物的 Fe−Mn−Al−C 内的滑移局 部化导致沿晶界形成空洞，引起微观韧性晶间开 裂和宏观脆性断裂有关，如图 12 所示[13, 51] . 在晶界处偏聚的氢不仅会影响晶界的强度， 也会对不同晶粒尺寸的晶界处氢扩散、晶界运动 影响巨大. 不同晶粒度 Fe−31Mn−3Al−3Si 钢的充 氢实验表明晶粒越细小，氢富集程度越低[49] . 这主 要因为晶粒细小时，单位体积的晶界面积越大，晶 界上的氢含量也就越低，氢扩散量就越大，越不容 易引起氢集中，延缓了裂纹的产生，表 6 计算了不 同晶粒度晶界处的氢扩散. 2.2.2    氢与析出相的作用 对于低 Al 高 Mn 含量的 Fe−Mn−Al−C 钢，变 形时存在大量孪晶，其强化机制主要是 TWIP，且 在奥氏体晶界处易析 出 M3C 型碳化物 [8] ； 而 高 Al 高 Mn 含量的 Fe−Mn−Al−C 钢，具有很高的层 错能，机械孪晶大大减少，往往析出大量 κappa 碳 化物[60] . 晶界 M3C 型碳化物明显倾向于晶间断 裂，而 Al 的加入抑制了晶界渗碳体的形成，显著 提高了延迟断裂的抗力. 而氢对钢中 κappa 碳化 物 Fe3AlC、DO3 型析出相 Fe3Al 的作用表明：其脆 化行为与合金中的碳含量有关，低碳合金（C 质量 分数<0.05%）的氢脆发生在 Fe3Al 相 ，高碳合金 （C 质量分数≥1%）的氢脆发生在枝晶间区，且基 体因含有 Fe3AlC 碳化物而氢脆，但 Fe3AlC 碳化物 限制了裂纹的扩展[61] . 鉴于 κappa 碳化物的化学式构成及晶体结构 特征，氢易于与其结合形成一种较为稳定氢化物 （Fe3AlH） . 基于密度泛函理论（Density-functional theory, DFT） ， Timmerscheidt 等[62] 计算了 κappa 碳 化物与溶解在其中氢的相互作用，H–H 的相互作 用在短距离内表现出强的排斥力，而 C–H 在长距 离内表现出强的排斥力，且直接相邻的碳和氢原 子抑制了长程相互作用. κappa 碳化物捕获扩散氢 Tension direction Increasing strain level As received Grain boundary Pre￾twinned Mechanical Twins Dislocations Hydrogen atoms Pre-induced Twins 图 10    预诱导孪晶阻碍冷轧样品充氢后位错滑移的示意图 Fig.10    Graphical illustration showing the effect of preinduced twins on preventing dislocation slip after H-charging in cold-rolled sample Hydrogen desoprtion rate/(10−9 s−1 ) 4.0 2.0 1.0 0.5 150 200 300 Temperature/℃ 100 Pre-charged at 60 A·m−2 for 96 h 250 0 Al 1.5 Al 2.5 Al 3.5 Al 50 0 1.5 3.0 2.5 3.5 (a) Fracture stress/MPa 2400 1800 15 20 Diffusible [H]/10−6 10 25 0 Al 2.5 Al 1.5 Al 3.5 Al 0 5 1400 1600 2000 2200 (b) 图 11    Fe−18Mn−xAl 钢的热解吸分析（TDA）曲线和断裂应力[13, 42, 58] . （a）相同充氢条件下的 TDA；（b）不同扩散氢条件下缺口试样的断裂应力 Fig.11    TDA profiles and fracture stress with different Al contents in Fe−18Mn−xAl steels[13, 42, 58] : (a) TDA profiles at an identical hydrogen charging condition; (b) plot of fracture stress of notched specimens against diffusible hydrogen content · 956 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期