高强DP钢中氢扩散行为及其对氢脆敏感性的影响

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由铁素体和马氏体组成的双相钢(Dual phase steel,DP钢)因具有良好的强度与塑性,成为实现汽车轻量化的重要材料。然而DP钢在生产、加工及服役过程中均可能有氢的渗入,带来安全风险。本文主要利用氢渗透技术及慢应变速率拉伸实验,结合扫描电镜、透射电镜等测试手段,研究了服役条件及不同工艺热处理后组织对DP钢中氢扩散及氢脆敏感性的影响,并从氢扩散的角度探究了氢脆的机理。得到如下主要结论:(1)通过对预充氢和动态充氢拉伸断口形貌观察及统计,结合位错迁移速率以及氢向位错偏聚速率的计算,分析了应变速率(10-4~10-6s-1)对氢与位错交互作用的影响。指出不同应变速率下氢脆敏感性IHE的变化规律受充氢条件的影响:应变速率的降低可延长氢随位错迁移的时间,使氢脆区域宽度增加,IHE增强;但大电流预充氢时初始氢致裂纹的存在会影响氢的扩散,导致IHE随应变速率的增加幅度降低。(2)通过对不同应力状态DP钢中位错组态观察及位错氢陷阱结合能的计算,探明了DP钢的氢脆敏感性IHE随外加应力呈阶段性变化:当应力小于60%YS时(Yield Stress,YS),IHE变化并不明显;应力增加到80%YS时,铁素体中位错大量增殖,位错的氢陷阱结合能较低(38.5 kJ/mol)且可动性较强,能带动更多氢原子扩散,IHE增强;当应力增加至120%YS时,由于位错密度及缠结程度的增加,位错的氢陷阱结合能增加至76.3 kJ/mol,部分位错可充当不可逆氢陷阱钉扎氢原子,导致IHE反而降低。(3)通过对不同淬火温度下马氏体形貌、氢渗透等实验及单相铁素体、马氏体中氢扩散系数的计算,指出弥散分布马氏体更有利于DP钢中氢的扩散及氢脆敏感性的降低:当马氏体含量较少且呈弥散分布时,氢优先沿扩散系数较大的铁素体连续扩散,且随着马氏体含量的增加,DP钢中有效氢扩散系数Deff降低,氢脆敏感性IHE增强;当马氏体增加到一定量(约68.3%)呈连续分布时,氢沿铁素体连续扩散通道受马氏体阻断,使Deff随马氏体含量的降低趋势变缓,而IHE继续增强。建立了钢中Deff与IHE之间的函数关系:log(IH E)(28)3.13-3.54?log(D eff),提出利用Deff可以方便地评价不同马氏体含量DP钢中氢脆敏感性IHE。(4)研究了不同回火温度下显微组织的演变,定量表征了各种显微组织对氢的捕获能力。结果表明,随着回火温度的升高,DP钢组织发生马氏体分解并伴随着弥散碳化物的析出、位错密度的降低以及小角度晶界占比的减少。其中弥散分布的碳化物作为不可逆氢陷阱阻碍了氢的扩散,导致钢中不可逆氢浓度的增加量达16.81×10-7mol/cm3,占总氢陷阱浓度的80%以上,对提升抗氢脆能力起主导作用。
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