纳米析出相对马氏体钢氢脆性能影响机制的研究

作者:石荣建
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在碳达峰和碳中和理论的背景下,开发新型高强度钢并提高其使用寿命是国家的产业政策。然而,无论是在冶炼、热处理、焊接和电镀等高强度钢的生产和制备过程中,还是在储存、运输和使用过程中,氢都会进入材料中,这可能导致高强度钢的氢脆,这一直是制约其发展和应用的重要瓶颈,尤其是在复杂和恶劣的环境中服务。通过对马氏体钢中纳米析出物的氢陷阱能力的统计、分析和讨论,发现NbC等纳米析出物是良好的晶内深氢陷阱。然而,作为氢陷阱的纳米析出物的物理性质以及马氏体钢的抗氢脆机制尚不清楚。因此,开发新方法、新思路,探索和开发既能提高强度又能提高抗氢脆性能的纳米沉淀高强度钢,对资源能源开发利用和国防安全具有重要的工程意义,对发展和提高抗氢脆研究具有重要的理论价值。本研究针对马氏体高强度钢面临的氢脆问题,创造性地提出了设计和制备高密度晶内深氢陷阱的设想。通过定量表征马氏体高强度钢中不同复杂结构的氢陷阱能力,表明NbC等公司可以作为深氢陷阱(陷阱密度约1020cm-3)。为了提高晶体的抗氢脆性能,应设计和制备晶体中的深氢陷阱,使氢能均匀地分散在晶粒中。在本研究中,我们采用高分辨率光学显微镜对纳米沉淀的氢捕获能力进行了全面、系统和深入的研究透射电子显微镜原子级观察和第一原理原子级模拟。结果表明,NbC纳米沉淀中的NbC/-Fe界面是(111)NbC/(101)-Fe和[011]NbC//[111]-Fe的库尔德朱莫夫-萨克斯(K-S)半相干取向关系,半共格界面处大学的失配位错密度较高。这些半相干的NbC纳米沉淀物可以有效地捕获氢。通过第一性原理计算和氢脱附实验,揭示了NbC/Fe-半共格界面深氢陷阱的物理本质是K-S半共格界面的失配位错,氢陷阱的结合能约为77kj/mol。通过在马氏体高强度钢中形成高密度(尺寸10.03.3nm)的半共格纳米沉淀,有效地抑制了马氏体高强度钢的氢脆。基于晶内纳米深氢阱的设计理念,通过设计和制备晶内高密度、分散的纳米沉淀,可以设计出抗高强氢脆钢。此外,通过多元微合金设计和局部微供应,制备了具有Al2O3-MnS和Ti3O5-Nb(C,n)精细结构的多元复合纳米相强化钢,共同提高了高强度钢的强韧性。此外,在0.2mol/lNaOH+0.22g/l硫脲水溶液中,以0.5ma/cm~2电流密度和510-6s-1应变率对多组分复合纳米相增强钢进行电化学动态充氢时,慢拉拔率降低约30%。因此,采用局部微供应方法制备的Ti3O5-Nb(C,n)多元复合纳米相可以有效提高马氏体高强度钢的强度和抗氢脆性能,细化复合球形夹杂物可以减少夹杂物的有害影响。多组分复合纳米相的设计与制备为抗氢脆马氏体高强度钢的设计与开发提供了有效可行的科学概念和技术路线。