武漢科技大學(xué)《MSEA》：揭示極低溫下加鋁高錳鋼的優(yōu)異抗氫脆性能

文章導(dǎo)讀：

液氫儲(chǔ)運(yùn)是未來(lái)氫能大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高錳奧氏體鋼因兼具優(yōu)異的力學(xué)性能和突出的成本優(yōu)勢(shì)，在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。為進(jìn)一步提升高錳鋼的超低溫韌性，添加鋁元素成為了一種極具前景的合金化策略。然而，在低溫服役環(huán)境下，這類材料的氫脆敏感性目前鮮有關(guān)注，尚屬研究盲區(qū)。為了填補(bǔ)這一認(rèn)知空白，評(píng)估其實(shí)際應(yīng)用潛力，本研究首次系統(tǒng)探究了鋁合金化對(duì)高錳奧氏體鋼超低溫氫脆行為的影響。研究團(tuán)隊(duì)在25 ℃至-196 ℃的寬溫域范圍內(nèi)，對(duì)Fe-24Mn-0.5C-4Cr-(5Al)鋼開(kāi)展了多尺度微觀表征與慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，鋁的加入通過(guò)晶粒細(xì)化與固溶強(qiáng)化，使鋼材在保持優(yōu)異塑性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)韌性的完美協(xié)同。最為關(guān)鍵的是，即使去除了由鋁誘導(dǎo)生成的保護(hù)性氧化膜，鋁的加入依然在全溫域范圍內(nèi)大幅降低了材料的氫脆敏感性，且這種保護(hù)效應(yīng)在低溫下更加顯著。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150247

01 研究背景

在氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)中，液氫具備極高的體積能量密度，是長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)暮诵慕橘|(zhì)。然而，液氫環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出了雙重嚴(yán)苛挑戰(zhàn)：既要保持極佳的低溫力學(xué)性能，又必須具備出色的抗氫脆性能。目前廣泛使用的316L不銹鋼雖然性能優(yōu)異，但其高昂的鎳含量導(dǎo)致成本居高不下。相比之下，以Fe-24Mn-0.5C-4Cr為代表的高錳奧氏體鋼不僅成本效益顯著，而且低溫力學(xué)性能突出，被視為極具潛力的替代材料。為進(jìn)一步克服高錳鋼在超低溫下韌性下降的短板，添加鋁元素成為了一種極具前景的合金化策略，但其在低溫環(huán)境下的抗氫脆行為至今尚不明確。

02 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)制備了兩種對(duì)比鋼：無(wú)鋁的Fe-24Mn-0.5C-4Cr鋼（24Mn鋼）與含5wt.% 鋁的Fe-24Mn-0.5C-4Cr-5Al鋼（24Mn5Al鋼）。通過(guò)慢應(yīng)變速率拉伸測(cè)試，研究評(píng)估了材料在25°C至-196°C寬溫域范圍內(nèi)的氫脆行為。結(jié)合EBSD、XRD、TEM和XPS等多尺度表征手段，全面揭示了Al對(duì)高錳鋼低溫抗氫脆行為的影響。

03 核心發(fā)現(xiàn)與圖文賞析

亮點(diǎn)一：極低溫下強(qiáng)韌性的完美協(xié)同

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加5 wt%的鋁后，奧氏體晶粒尺寸從13.5 μm顯著細(xì)化至9.2 μm。在-196°C下，含鋁鋼不僅屈服強(qiáng)度顯著提升，其沖擊吸收能量也由122 J提升至163 J。這種強(qiáng)韌性的協(xié)同提升，主要?dú)w功于鋁誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化和固溶強(qiáng)化效應(yīng)。

圖片說(shuō)明：圖1a-c與g-i分別為24Mn鋼與24Mn5Al鋼的微觀組織形貌，5wt.% Al的加入顯著細(xì)化了晶粒尺寸。

亮點(diǎn)二：“先升后降”的非單調(diào)氫脆敏感性

受氫擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的控制，兩組材料的氫脆敏感性隨溫度降低，均呈現(xiàn)出特殊的非單調(diào)趨勢(shì)。在-80℃時(shí)，由于氫的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散距離恰好與內(nèi)部納米孿晶間距達(dá)到同等量級(jí)，極易導(dǎo)致局部氫富集，從而使氫脆敏感性達(dá)到峰值。值得注意的是，在所有測(cè)試溫度下，鋁的加入都顯著提升了材料的氫脆抗性，且這種保護(hù)效應(yīng)當(dāng)溫度降至-196°C時(shí)尤為強(qiáng)烈。

圖片說(shuō)明：圖4c與4d分別對(duì)比了充氫前后材料強(qiáng)度與塑性隨溫度的變化規(guī)律；圖4f則基于塑性損失直觀揭示了氫脆敏感性。氫脆敏感性在-80℃出現(xiàn)顯著峰值，且24Mn5Al鋼（紅線）的全溫域抗氫脆表現(xiàn)始終優(yōu)于24Mn鋼。

亮點(diǎn)三：三大機(jī)制共鑄微觀“抗氫壁壘”

首先，24Mn5Al鋼因晶界增多而具備更高的本征吸氫容量，更高比例的低界面能Σ3晶界與晶粒細(xì)化效應(yīng)疊加，反而有效促進(jìn)了氫原子的均勻分散。其次，結(jié)合氫擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)規(guī)律，隨著溫度驟降，氫的有效擴(kuò)散距離呈指數(shù)級(jí)縮短，上述微觀組織成功避免了危險(xiǎn)的局部氫富集。最后，在-196℃下，24Mn鋼內(nèi)部會(huì)生成少量易引發(fā)脆性的ε-馬氏體，而24Mn5Al鋼則通過(guò)大幅提升材料的層錯(cuò)能（SFE），徹底抑制了馬氏體相變，維持了穩(wěn)定的孿生變形模式，從根本上消除了為裂紋擴(kuò)展提供便利的敏感界面。

圖片說(shuō)明：圖3a顯示24Mn5Al鋼因晶界增多而具備更強(qiáng)的本征氫捕獲與分散能力；圖12從熱力學(xué)角度證實(shí)了鋁對(duì)SFE的大幅提升，解釋了其在低溫下規(guī)避脆性相變的原因；圖13則表明了氫有效擴(kuò)散距離隨溫度的指數(shù)級(jí)衰減規(guī)律。

亮點(diǎn)四：致密氧化膜的天然保護(hù)

研究還發(fā)現(xiàn)，由于晶界密度較高，去除表面氧化膜后的24Mn5Al鋼，其實(shí)際的本征捕氫能力反而更強(qiáng)。然而，在空氣中自然老化30天后，24Mn5Al鋼的吸氫量卻下降了約77%。結(jié)合XPS分析證實(shí)，這是因?yàn)殇X元素能促進(jìn)材料表面自發(fā)形成一層富含Al3?的致密氧化膜。在實(shí)際服役環(huán)境中，這層天然氧化膜能夠充當(dāng)強(qiáng)效的物理屏障，極大限度地阻斷外部氫的滲入。

圖片說(shuō)明：圖3c的熱脫附光譜直觀顯示，空氣老化后含鋁鋼的吸氫量發(fā)生了大幅衰減；圖14的XPS光譜則揭示了其根本原因——老化后24Mn5Al鋼表面生成了顯著增厚的鋁基致密氧化膜，有效切斷了氫的滲入路徑。

04 研究結(jié)論

該研究系統(tǒng)揭示了Fe-24Mn-0.5C-4Cr-5Al奧氏體鋼在寬溫域內(nèi)的氫脆行為。鋁元素的加入不僅賦予了材料優(yōu)異的低溫強(qiáng)韌性，更通過(guò)提升層錯(cuò)能抑制相變、優(yōu)化晶界特征促進(jìn)氫均勻化等機(jī)制，大幅提升了材料的抗氫脆能力。此研究有效填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的認(rèn)知空白，為未來(lái)液氫儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)低成本、高性能的結(jié)構(gòu)材料提供了極為關(guān)鍵的理論支撐與設(shè)計(jì)思路。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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