| 单词 | 沉淀强化奥氏体合金的氢脆研究 |
| 释义 | 【沉淀强化奥氏体合金的氢脆研究】 拼译：study of hydrogen embrittlement of precipitation-strengthened austenitic alloys 氢进入到某些金属材料(尤其是钢铁材料)中，会使材料的脆性明显增加，从而会在载荷下导致材料的早期断裂，这就是金属的氢脆现象。工程材料在使用中的氢脆断裂具有突发性，有时会导致严重事故的发生。因而对金属材料氢脆现象的深入研究，对于工程材料的安全使用以及抗氢脆材料的发展都具有重要的现实和理论指导意义。 金属材料对氢脆断裂的敏感性与许多因素有关，如材料的种类及组织结构、含氢环境、载荷条件以及环境温度等。在过去的几十年中，人们曾对氢脆现象相对严重的具有体心立方结构的铁素体型钢铁材料，以及易形成氢化物的钛合金等材料的氢脆现象进行了广泛而深入的系统研究，获得了大量的研究成果，相继提出了高压气体、氢降低表面能、减聚力、氢化物致脆以及氢致塑性等氢致断裂的理论和机理，使人们对这些材料的氢脆机制有了比较深刻的认识。而对具有面心立方结构的奥氏体型合金来说，由于其具有相对高的固溶氢量以及很低的氢扩散系数，使这类合金普遍具有很低的氢脆敏感性。因而对其氢脆方面的研究报导要相对少得多。伴随着现代工业的迅速发展，对材料的使用要求越来越高。在某些使用条件下，还需要材料既具备高的使用强度，同时还具有良好的抗氢脆性能，例如在航天工业中使用的氢氧发动机材料、石化工业中使用的高压加氢反应器材料，以及核工业中使用的核聚变反应堆材料等等。为适应上述对材料的特殊要求，以美国和法国等为代表的西方发达国家的有关部门，从20世纪70年代起就对可能使用的材料(尤其是各种沉淀强化奥氏体合金)在氢环境下的断裂行为进行了全面系统的试验研究。但在当时，有关的报导是极为鲜见的。在中国，为满足现代工业对材料的特殊需求，从80年代初，以李依依为首的课题组也开始了以单相奥氏体为主要结构的系列抗氢脆材料的研制发展工作，与之配合开展的相关材料的氢脆研究工作也在同时进行。到目前为止，已相继发展出了HR－1、HR-2和HR-3、HR-4等不同强度等级的抗氢脆材料。单向奥氏体合金虽然具有良好的抗氢脆性能，但其强度最多只能达到500MPa左右，为发展更高强度级别的抗氢脆材料，必须面向强度更高的沉淀强化型奥氏体合金材料。这也是发达国家为满足特殊使用需求而正在发展的材料。例如美国宇航部门多年来就一直在开展这类合金在高压氢气环境下的力学行为的全面研究工作，并发展出屈服强度在1000MPa以上的Fe-Ni-Co-Cr系高强度抗氢脆合金。因而伴随着材料研究的发展，沉淀强化奥氏体合金的氢脆研究已经开始成为金属材料氢脆研究的重点研究内容。近几年来，中国为发展更高强度级别的抗氢脆材料，也正在开展氢在这类合金中行为的研究工作。沉淀强化奥氏体合金是以奥氏体为基体，其中弥散分布有与基体保持某种共格关系的沉淀强化相。例如，与氢脆研究相关的典型合金包括以γ′相为主要强化相的A286、JBK75和IN903等合金，以及以γ″相为主要强化相的IN718合金等。虽然合金中的奥氏体基体普遍具有很好的抗氢脆断裂能力，但合金在不同时效过程中沉淀析出的强化相所形成的复杂结构却可能大大地影响合金的氢脆敏感性。其中合金的化学组成、合金组织中沉淀强化相的类型、结构、尺寸、数量、分布以及其与基体的界面关系等都可能成为重要的影响因素。A．Turnbull等人近年来利用电化学氢渗透技术对室温下氢在不同镍基合金中扩散行为的研究结果表明，奥氏体基体中的各类沉淀强化相的存在都不同程度地明显降低氢在合金中的表观扩散系数，从而证明合金中的沉淀强化相是氢的有效陷阱所在，其对合金中的氢起到捕获作用。Turnbull等认为，强化相与基体间的界面处形成的氢聚集是导致这类合金氢脆的主要因素。然而最近徐坚等人在对JBK75、IN903和IN907等沉淀强化奥氏体合金的气相氢渗透(475～675K)的研究中，却没有发现合金中的沉淀强化相具有明显的氢陷阱作用。由于沉淀强化相的存在对这类合金的氢脆现象起着重要的作用，因而对氢与合金中沉淀强化相交互作用的重点研究具有重要的理论意义。A．W．Thompson等早在70年代中期就开始了沉淀强化奥氏体合金氢脆的系统研究。他们在对A286和IN903合金氢脆的研究中发现，合金在高温高压充氢(475K，24MPa H2)条件下表现出了明显的氢脆倾向，最大面缩损减高达60%以上。他们提出合金的氢脆倾向与合金中沉淀强化相和基体间的界面错配度密切相关，错配度越大，界面的共格性就越低，氢原子就越容易在两相界面处富集，从而就越易于引发韧窝状断裂的发生，造成合金的早期断裂。杨柯和李依依等人在对γ′相强化的IN907和IN903合金在不同热处理条件下的氢脆研究中也发现，该类合金在高温高压充氢(573K，10MPa H2)后表现出了明显的氢脆倾向，同时还发现这一脆性倾向与合金的组织状态密切相关。合金在时效过程中沉淀析出的强化相的尺寸越大，合金的氢脆敏性就越高。他们认为。这类合金的氢脆现象与变形过程合金中携氢运动位错与合金中沉淀强化相之间的交互作用有关。当携氢运动位错与强化相相割时，位错容易失去氢原子，造成氢在相界等局部区域的富集，在这样的区域中就首先易于发生氢致断裂。除此之外，C．J．Altstetter等人在研究IN718和A286等沉淀强化奥氏合金的氢脆过程中，应用氢促进合金中局部区域塑性变形理论来解释这类合金的氢脆机制；而N．R．Moody等在系统研究IN903合金的氢致裂纹扩展过程中，认为基体中存在的少量未溶碳化物及晶界在合金的氢致裂纹扩展中起着主要控制作用。最近，王安川和李依依等人还发现，沉淀强化奥氏体合金中强化相组成元素(Nb、Ti等易偏析元素)的分布越不均匀，沉淀强化相的尺寸及分布也就越不均匀，合金的氢脆敏感性就越严重。由上所述可以看出，沉淀强化奥氏体合金的氢脆现象是一个比较复杂的研究课题。其涉及了合金的类型、合金的显微组织结构以及合金中不同沉淀强化相与氢的复杂交互作用。对这一研究工作的深入进行将会为更高强度级别的抗氢脆材料的设计和研制奠定理论基础，从而满足现代工业对使用材料的特殊需求，李依依和杨柯等人通过近几年来对几种典型沉淀强化奥氏合金氢脆现象的深入研究，为发展中国的更高强度级别的抗氢脆合金提出了如下的组织设计：选择奥氏体基体层错能高的合金，以提高合金中运动位错的交滑移能力，减小局部区域氢富集的倾向；在满足所需强度的基础上，通过适当热处理来尽量减小合金中沉淀强化相的尺寸，提高其弥散均匀分布程度，以减小强化相与携氢运动位错的直接交互作用或分散合金中的氢浓度；通过适当的热加工和热处理来细化奥氏体基体组织，以提高合金的整体强度和对合金中氢的均匀捕获。通过以上的合金设计就有希望发展出兼具高强度和高抗氢脆性能的合金材料。【参考文献】：1 Thompson A W，Brooks J A．Metall Trans．1975，6A；14312 Rhodes C g，Thompson A W．Metall Trans．1977，8A：9493 Moody N R，et al．Metall Trans．1987，18A：14694 McPherson W B NASA，1989，N89～126615 Hicks P D，Altstetter C J．Metall Trans，1990，21A：3656 Yang K，et al．Scripta Metall，1991，25：23997 Turnbull A，et al．Metall Trans，1992，23A：32318 Xu Jian，et al．Acta Metall Sinica，1993，6A：1639 王安川，等．金情．1993，93－005(中国科学院金属研究所李依依院士、杨柯研究员撰) |
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