高强度马氏体钢中微合金元素对氢致延迟开裂的研究进展

司宇1 唐远寿1 周新1 栗克建1 马毅龙1 马鸣图2

1 前言

（1.重庆科技学院 401331；2.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）冶金与材料工程学院，重庆

摘要：高强度马氏体钢的开发通过优化微合金成分设计，匹配合理热处理可以控制C、N等纳米化合物的

Ti、nb、析出，形成良性“氢陷阱”，进而降低材料在使用过程中的氢致延迟开裂风险。对比不同热处理工艺下

Cu合金元素在马氏体钢中的析出形态及其氢捕获位点，并评价了析出相在高强度马氏体钢中氢捕获能力。

结果发现氢捕捉能力大小排序为：NBC>TIC>晶界>ε-cu>位错，并且微合金元素复合添加可以起到更好的抗氢脆作用。

关键词：高强度 马氏体钢 氢脆 析出相 氢捕获

中图分类号：TG13 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20210387

DOI:

氢的存在而导致材料脆化的相关研究已经持[1]，氢可以扩散到材料内部，与材续了一个多世纪

作者简介：司宇（1998—），男，硕士学位，研究方向为钢铁材料。通讯作者：栗克建(1988—)，男，高级工程师，博士学位，研究方向为钢铁材料显微组织与性能研究。

基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目( NO.YKJCX2020216)。

料内部微观结构在不同尺度上产生丰富的相互作用，促进了裂纹的形成和扩展，最终导致材料开裂，这种现象称之为氢脆[2]。氢脆现象制约了超高强度材料应用和发展，其中包括用于超轻车身中参考文献引用格式：

司宇，唐远寿，周新，等.高强度马氏体钢中微合金元素对氢致延迟开裂的研究进展[J].汽车工艺与材料, 2022（6）: 16-26.

SI Y, TANG Y S, ZHOU X, et al. Research Progress of Microalloy Elements on Hydrogen-induced Delayed Cracking in High Strength Martensitic Steels [J]. Automobile Technology & Material, 2022(6): 16-26.

防撞梁的冷成形高强度马氏体钢，这使氢脆现象成为当今社会和技术需求中极为重要的突出问题。

在汽车工业领域对于汽车的环保以及耗油均有要求，要求汽车用钢向更轻更薄的方向发展，同时需要保持较高的强度，但钢的氢脆敏感性与强

1 000 MPA

度成正比关系[3]，尤其强度在

以上时，氢

750 MPA

脆敏感性极高，如钢铁材料在 时氢含量在

10 mg/l 1 400 MPA

才会发生氢脆现象，当强度达到

0.5 mg/l

便会产生氢脆[4]

时仅需低于 。

溶解在高强度钢中的扩散氢通过在晶格缺陷处的偏析和应力集中区域的积累而发挥其影响，进而促进钢的脆性断裂，这将造成非常严重的后

果[5]。高强度钢通常容易产生氢脆[6-7]，马氏体钢是

高强度钢的典型例子，它提供了各种显微组织缺陷，例如，初始奥氏体的晶界，板条边界，高密度位错以及第二相颗粒与基体之间的界面。因此汽车用冷成形高强度马氏体钢对扩散氢有严格的要求，对于如何降低高强度马氏体钢氢脆敏感性，国内外学者做了大量的研究，采取的方法主要有以

2

下 种。

a.采用低氢扩散性、低氢溶解度的涂（镀）层； b.通过设置合理分布的“氢陷阱”，一个由均匀

分布且细而强的氢陷阱组成的微观结构能最大限

度地提高合金对氢的抵抗力[8]

。因此，如果人们要设计表现出这种微观结构的合金，那么就需要知道应该使用什么样的陷

[9]：“吸引氢陷阱”—位错、(半)

阱。“氢陷阱”的分类共格晶界、析出相和裂纹尖端；“物理氢陷阱”—大角度晶界、非共格颗粒-基体界面、孔洞等；“混合氢陷阱”—位错边缘。

本研究重点总结微合金元素作为第二相析出构成的“氢陷阱”，从而抑制高强度马氏体钢中的氢脆进行介绍。综述了在一定的热处理工艺下

Ti、nb、cu

等合金元素在高强度马氏体钢中以碳化物析出时，作为氢捕获位点的氢捕获行为、氢捕获能力及合金元素的复合添加对高强度马氏体钢抗氢脆性能的作用大小。

2 析出相显微形态及晶体结构对于淬火马氏体合金钢，在经过回火热处理· 17 ·后会析出纳米颗粒，这些纳米析出相可以起到析

出强化作用，进而提高钢的强度、硬度机械性能[10]

，另外还可以形成“氢陷阱”捕捉材料内部存在的扩散氢原子，使材料实现优良的抗氢脆性能，降低延

迟开裂风险[11]。

但并不是所有的纳米析出相都可以作为良性“氢陷阱”，是否能够提高材料抗氢脆性能，取决于纳米析出相的微观结构，可以作为良性氢陷阱的

Ti、nb、cu，并以Tic、nbc、ε-cu(bcc

析出相元素有

CU、9RCU)形式析出[12-14]。

2.1 TIC、NBC、Ε-CU析出相晶体结构基础特征

3 FCC BCC

种析出相均为 结构，马氏体基体为

NBC TIC -Fe。

结构，其中 与 的晶格常数远大于α

NBC ε- Cu

与 在马氏体基体中析出时与基体呈

Kurdjumov-sachs晶体取向关系，TIC Bak⁃

与基体呈

er-nutting

晶体取向关系。

2.2 TIC析出相

Fu-gao Wei

等[18]通过高分辨率透射电镜观察

TIC

了 在不同回火温度下的微观结构变化，如图

1a、图1d TIC 2

所示的 析出相，其存在的 种形态，从形貌上来看分别为板条状及圆盘状，结构上对应半共格态( 550~800 ℃)及非共格态(回火温度 回火

800 ℃以上)，两者之间存在随回火温度的升温度

(半)

高由 共格态向非共格态转换的关系[19] ，在形状上的改变表现为厚度的增加由扁平状逐渐变

为球状，HRTEM图像显示为板条状和圆盘状。研

究表明，TIC析出相尺寸在在~16 nm时为半共格

20~40 nm

态[20] 时为非共格态[21]

，在

(半) TIC Baker- Nut⁃共格 与铁素体基体符合

ting ((001)carbide // (010) and [1 1ˉ 0]carbide //取向关系[22] α - Fe

[001] Fe) (100)TIC // (100)α，[011]tic // [001]α，存在 5o ，即

α −

2所示，(半)共格Tic/α−fe的误差，如图 界面存在错配位错。