無錫不(bu)銹鋼板、無錫不銹鋼(gang)管(guan)廠家無錫漢能不銹鋼2020年10月26日訊 高強度不銹鋼作為強度、韌性及服役安全性俱佳的金屬結構材料，廣泛應用于航空、航天及海洋工程等領域。本文系統地梳理了高強度不銹鋼的研究及發展歷程，重點闡述了以析出強化和奧氏體韌化為代表的強韌化機理，及以氫致開裂和H原子擴散富集為主要因素的應力腐蝕及氫脆敏感性問題。認為高強度不銹鋼的未來發展將重點關注計算模擬設計，多類型、高共格度析出相復合強化，高機械穩定性的薄膜狀奧氏體韌化，綜合顯微組織和服役環境加深對應力腐蝕及氫脆機理的理解，從而為設計兼備超高強韌性、優良綜合服役性能的高強不銹鋼提供實際的理論依據。
關鍵詞(ci)： 超高強度不銹鋼 ; 強韌化機理 ; 氫脆 ; 應力腐蝕 ; 析出相 ; 逆轉變奧氏體
高強度不銹鋼因其具有優異的強韌性匹配及耐蝕性，在航空航天、海洋工程及能源等關系國計民生的裝備制造領域得到廣泛的應用，如飛機的主承力構件[1]、緊固件、衛星陀螺儀、飛船外殼、海洋石油平臺、汽車工業、核能工業、齒輪和軸承制造等，是未來裝備部件輕量化設計和節能減排的首選材料。作為承力、耐蝕結構件的重要候選材料之一，如何兼顧超高強韌性及優良的服役安全性是此類鋼種未來的重點發展方向[2,3]。
為(wei)了滿足航空航天、海(hai)洋工程對高(gao)性(xing)能(neng)耐(nai)蝕(shi)結構鋼(gang)(gang)的(de)需求，美(mei)國CarnegieIllionois鋼(gang)(gang)鐵公司于1946年成(cheng)功研(yan)發(fa)(fa)了第(di)一代馬氏體沉淀(dian)硬化不銹鋼(gang)(gang)——Stainless W。在Stainless W鋼(gang)(gang)合金(jin)體系的(de)基(ji)礎上(shang)，通過加入Cu、Nb元(yuan)素并去除Al、Ti元(yuan)素。美(mei)國Armco鋼(gang)(gang)鐵公司于1948年開發(fa)(fa)了17-4PH鋼(gang)(gang)[4]，因其(qi)良好(hao)的(de)強韌性(xing)及耐(nai)蝕(shi)性(xing)，除應(ying)(ying)用于F-15飛機(ji)起落架構件外，目前亦廣泛應(ying)(ying)用于制造緊固件及發(fa)(fa)動(dong)機(ji)零(ling)部件，但其(qi)冷變形能(neng)力較差。為(wei)了減(jian)少對橫(heng)向力學性(xing)能(neng)不利的(de)高(gao)溫δ-鐵素(su)體(ti)(ti)(ti)，通(tong)過降低鐵素(su)體(ti)(ti)(ti)形成元(yuan)(yuan)素(su)Cr的(de)含(han)量(liang)并(bing)增加Ni元(yuan)(yuan)素(su)含(han)量(liang)，研(yan)(yan)發(fa)出了(le)(le)(le)15-5PH鋼(gang)(gang)[5,6,7]，該鋼(gang)(gang)克服了(le)(le)(le)17-4PH鋼(gang)(gang)橫向塑韌性差的(de)缺點，現已應用(yong)(yong)于(yu)制(zhi)造艦(jian)船及民用(yong)(yong)飛(fei)機(ji)等承力部件(jian)。20世(shi)紀60年(nian)代(dai)初，國(guo)(guo)(guo)際鎳公司發(fa)明(ming)了(le)(le)(le)馬氏(shi)體(ti)(ti)(ti)時(shi)效(xiao)鋼(gang)(gang)，為發(fa)展(zhan)高(gao)強(qiang)度不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)引入了(le)(le)(le)馬氏(shi)體(ti)(ti)(ti)時(shi)效(xiao)強(qiang)化這一(yi)概(gai)念，從(cong)而拉開了(le)(le)(le)馬氏(shi)體(ti)(ti)(ti)時(shi)效(xiao)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)發(fa)展(zhan)的(de)帷(wei)幕。1961年(nian)美(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)Carpenter Technology公司首先研(yan)(yan)制(zhi)了(le)(le)(le)含(han)Mo的(de)馬氏(shi)體(ti)(ti)(ti)時(shi)效(xiao)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)Custom450；此(ci)后(hou)，在1967和1973年(nian)先后(hou)研(yan)(yan)制(zhi)了(le)(le)(le)PyrometX-15、Pyromet X-12。在此(ci)期間，美(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)也先后(hou)研(yan)(yan)制(zhi)了(le)(le)(le)AM363、In736、PH13-8Mo、UnimarCR等；Martin等[8,9]則分別于(yu)1997年(nian)和2003年(nian)獲得了(le)(le)(le)Custom465和Custom475鋼(gang)(gang)的(de)發(fa)明(ming)專(zhuan)利，并(bing)應用(yong)(yong)在民航(hang)(hang)飛(fei)機(ji)上。英國(guo)(guo)(guo)研(yan)(yan)發(fa)了(le)(le)(le)FV448、520、520(B)、520(S)等高(gao)強(qiang)度不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)牌號(hao)。德國(guo)(guo)(guo)于(yu)1967、1971年(nian)研(yan)(yan)制(zhi)了(le)(le)(le)Ultrafort401、402等。前蘇(su)聯除仿制(zhi)和改進(jin)美(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)鋼(gang)(gang)號(hao)外，還獨(du)立研(yan)(yan)究了(le)(le)(le)一(yi)系列新鋼(gang)(gang)種，常見的(de)鋼(gang)(gang)有0Х15Н8Ю、0Х17Н5М3、1Х15Н4АМ3、07Х16Н6等以及Co含(han)量(liang)較高(gao)的(de)鋼(gang)(gang)號(hao)，如00Х12К14Н5М5Т、00Х14К14Н4М3Т等。2002年(nian)美(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)QuesTek公司承擔美(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)國(guo)(guo)(guo)防部戰(zhan)略(lve)環(huan)境研(yan)(yan)究與(yu)發(fa)展(zhan)計劃(hua)(SERDP)污染(ran)防止項目，通(tong)過材料基因組計劃(hua)設計并(bing)開發(fa)了(le)(le)(le)新型飛(fei)機(ji)起落架用(yong)(yong)超高(gao)強(qiang)度不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)Ferrium?S53[10]，于(yu)2008年(nian)底發(fa)表公開AMS5922宇航(hang)(hang)標準，Ferrium?S53強(qiang)度約1930 MPa，斷(duan)裂韌度(KIC)達到55 MPa·m1/2以上，在2017年增編入美國的MMPDS主干材料手冊中，該材料已經成功應用于美國的A-10戰機及T-38飛機，是下一代艦載機起落架的首選材料。
我(wo)國從20世紀70年代(dai)開始高強度不銹(xiu)(xiu)鋼的(de)(de)研(yan)(yan)制工作，典型牌號(hao)有(you)00Cr13Ni8Mo2NbTi、00Cr12Ni8Cu2AlNb、00Cr10Ni10Mo2Ti1等10余種(zhong)(zhong)[11]。2002年鋼鐵研(yan)(yan)究總院設(she)計并(bing)研(yan)(yan)制出一種(zhong)(zhong)新(xin)型的(de)(de)超(chao)高強韌(ren)性(xing)的(de)(de)不銹(xiu)(xiu)鋼材料，是(shi)我(wo)國自(zi)(zi)主研(yan)(yan)發(fa)并(bing)具有(you)自(zi)(zi)主知識產(chan)權的(de)(de)Cr-Ni-Co-Mo合(he)金體系的(de)(de)超(chao)高強度不銹(xiu)(xiu)鋼USS122G，其強度超(chao)過1900 MPa，KIC達到90 MPa·m1/2以上[12]。目前該材料已經突破了直徑300 mm大規格棒材制備的相關關鍵技術，在我國航空航天裝備制造領域具有廣泛的應用前景。
超高強(qiang)度(du)不(bu)銹鋼良好的綜合(he)服(fu)役性(xing)能主要包(bao)括超高強(qiang)度(du)、優良的塑性(xing)及韌(ren)(ren)性(xing)，與傳統低(di)合(he)金高強(qiang)鋼及二次(ci)硬化型超高強(qiang)度(du)鋼相比，除具備優良的綜合(he)力學(xue)性(xing)能以(yi)外(wai)，還具有優異的耐腐(fu)蝕、抗(kang)應(ying)力腐(fu)蝕及腐(fu)蝕疲勞性(xing)能。為(wei)了(le)(le)提高上(shang)述服(fu)役性(xing)能，揭示其背(bei)后的影響因素及機(ji)理(li)，國(guo)內外(wai)學(xue)者圍(wei)繞超高強(qiang)度(du)不(bu)銹鋼的強(qiang)韌(ren)(ren)化機(ji)理(li)、應(ying)力腐(fu)蝕開裂以(yi)及氫(qing)脆行為(wei)進(jin)行了(le)(le)廣泛(fan)研究。2.1 高(gao)強(qiang)度不銹鋼中的合(he)金設(she)計(ji)及強(qiang)化相(xiang)超(chao)高(gao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)不(bu)銹鋼的(de)典型室溫組織包括：細(xi)小(xiao)的(de)板條(tiao)(tiao)馬氏(shi)體基體，適量的(de)殘余(或(huo)逆(ni)(ni)轉(zhuan)變(bian))奧氏(shi)體以及彌散(san)分布的(de)沉淀強(qiang)(qiang)化相。板條(tiao)(tiao)狀(zhuang)馬氏(shi)體由于其自身的(de)高(gao)位錯(cuo)密(mi)度(du)(du)，具有很高(gao)的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)。亞穩殘余(逆(ni)(ni)轉(zhuan)變(bian))奧氏(shi)體可(ke)以緩(huan)解裂紋尖端的(de)應力集中從(cong)而提(ti)高(gao)材料韌性。時(shi)效處理過程中析(xi)出(chu)的(de)納米級強(qiang)(qiang)化相可(ke)以進一步提(ti)高(gao)鋼的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)，按照析(xi)出(chu)相的(de)合金組成可(ke)將(jiang)其分為3類(lei)，即碳(tan)化物(MC、M2C)、金屬(shu)間化合物(NiAl、Ni3Ti)以及元素富集相(ε相、α'相(xiang))等，在超(chao)高強度(du)不銹(xiu)鋼(gang)中(zhong)，沉淀相(xiang)的強化潛力取決于(yu)沉淀相(xiang)的本質及(ji)其尺寸、數(shu)密度(du)、體積分(fen)數(shu)及(ji)空間分(fen)布情況等。能(neng)否獲得最優性能(neng)主要取決于(yu)對沉淀相(xiang)析出行為的熱(re)、動力學(xue)(xue)特性的掌(zhang)控，進(jin)而指(zhi)導合金成分(fen)的調控以及(ji)熱(re)處理(li)工藝的制定。典(dian)型超(chao)高強度(du)不銹(xiu)鋼(gang)的化學(xue)(xue)成分(fen)和(he)力學(xue)(xue)性能(neng)見表1[13,14,15,16,17,18,19,20,21]和表2[13,14,15,16,17,18,19,20,21]。從表(biao)中可以看出，第一代超(chao)高強(qiang)度不(bu)銹鋼(15-5PH、17-4PH)強(qiang)度級(ji)別(bie)較(jiao)低(di)(1200~1400 MPa)，此(ci)類鋼中的主要(yao)強(qiang)化相為元素富(fu)集(ji)相，如ε-Cu相；第(di)二代(dai)高強(qiang)度不(bu)銹(xiu)鋼(PH13-8Mo、Custom465)中，C含量普遍較(jiao)低(不(bu)大于(yu)(yu)0.05%，質量分數(shu)，下同）,主要強(qiang)化(hua)方式為NiAl和Ni3Ti等金屬(shu)間化(hua)合(he)物強(qiang)化(hua);作為第(di)三代(dai)高強(qiang)度不(bu)銹(xiu)鋼的典型代(dai)表(biao)Ferrium?S53鋼的誕生得(de)益于(yu)(yu)材料基因數(shu)據(ju)和計算(suan)機(ji)技術,將C的質量分數(shu)增加到0.21%,M2C型碳化物的二次硬化作用使材料性能得到大幅度提升，不同于Ferrium?S53鋼的合金設計理念，國產USS122G鋼采用了兩相復合強化體系，相比于Ferrium?S53鋼具有更佳的強韌性匹配。
作為第一代高強(qiang)度不銹鋼(gang)的(de)典(dian)型代表，15-5PH鋼(gang)的合金化特(te)點是采用15%左(zuo)右的Cr來(lai)保證鋼(gang)的耐腐蝕性能；5%左右的Ni含量可以起到平衡實驗用(yong)鋼(gang)的Cr-Ni當量，使鋼(gang)在室(shi)溫得到(dao)馬氏體組(zu)織，同時降低(di)鋼(gang)中δ-鐵素體；加入4%左(zuo)右的Cu，起(qi)到了強化作用(yong)；少(shao)量的Nb可以與(yu)C形成MC相，起到了釘扎(zha)晶界(jie)、細化晶粒的(de)作用。經過550℃時效處理后，在(zai)馬(ma)氏體基體上析出(chu)大量fcc結構(gou)的富(fu)Cu相，富Cu相與(yu)馬氏體基體的取向關系滿(man)足K-S關系。Habibi-Bajguirani等[22,23]的研(yan)究顯示(shi)，15-5PH鋼在時效過程(cheng)中存(cun)在2種不同類(lei)型的Cu的析(xi)出相(xiang)，在低于500℃時效時，會首先形成bcc結構(gou)的簇狀(zhuang)顆粒，這(zhe)種簇狀(zhuang)物會隨后演變為9R結構，最后轉變為fcc的沉淀(dian)析出(chu)相，對析出(chu)相萃取物(wu)的X射(she)線微區分析結果顯(xian)示，這種析出相實(shi)際(ji)上是富Cu相。在650~700℃時效(xiao)時，fcc的富Cu相一(yi)開(kai)始(shi)與基體保(bao)持共格關系，隨后轉變為半共格的K-S關系(xi)。
作為(wei)第二代(dai)高(gao)強度不銹鋼的典型代(dai)表，PH13-8Mo采(cai)(cai)用低碳的合金化設(she)計，采(cai)(cai)用13%左右的Cr來保(bao)證鋼的耐蝕性(xing)，8%左右(you)的Ni可(ke)以彌(mi)補由于低碳而(er)引起(qi)Schaeffler圖中Cr-Ni當量(liang)不平(ping)衡，降低(di)δ-鐵素體含量(liang)，可使(shi)鋼得到板條馬(ma)氏體組(zu)織，加入1%Al可(ke)在鋼中(zhong)形成(cheng)強(qiang)(qiang)化相，起到(dao)強(qiang)(qiang)化基體的作用[24,25]。Schober等(deng)[26]研究了Ti元素對時效(xiao)過程(cheng)中析出相演變規律的影響(xiang)，結果表明，在未添加Ti元(yuan)素的PH13-8Mo鋼中(zhong)，析出相(xiang)僅有NiAl相(xiang)，添(tian)加Ti元(yuan)素(su)后，鋼中的析出相為G相和(he)η相(xiang)。在時(shi)效處理初期未(wei)添加(jia)Ti元素的(de)PH13-8Mo鋼中析出的(de)是(shi)有序(xu)的(de)金(jin)屬間化合物NiAl，隨著時效時間的延長，NiAl相中的合金元素逐(zhu)漸趨(qu)于化學(xue)計量平衡(heng)并且(qie)硬度達到(dao)最大值。在添加Ti元素的鋼中(zhong)，在時效處理初期鋼中(zhong)析出(chu)一(yi)種富含Ni、Si、Al、Ti的析出相，鋼的硬度(du)在此時達(da)到(dao)最大值。隨著時效時間的延(yan)長，鋼中會形成橢球狀的Ni16Si7Ti6-G相和短(duan)桿狀的Ni3(Ti, Al)-η相。
在超高(gao)強度(du)不銹鋼的(de)(de)成(cheng)分設計時，為(wei)保證(zheng)鋼具有良(liang)好的(de)(de)耐腐蝕性(xing)能，一般鋼中Cr的(de)(de)含量應大(da)于10%，Cr也(ye)是降低馬氏體相(xiang)變溫度(du)的(de)(de)元素(su)。Ni可以(yi)提高(gao)不銹鋼的(de)(de)電位和鈍化(hua)傾向(xiang)，增加鋼的(de)(de)耐蝕性(xing)能，提高(gao)鋼的(de)(de)塑性(xing)和韌(ren)(ren)性(xing)，特(te)別是鋼在低溫下的(de)(de)韌(ren)(ren)性(xing)，Ni還會形(xing)成(cheng)強化(hua)作用的(de)(de)η-Ni3Ti相(xiang)(xiang)。加入Mo主要是增加了二次硬(ying)化效(xiao)(xiao)應(ying)，2%左右的Mo可使(shi)鋼(gang)在不同(tong)固溶處(chu)理條件下均保(bao)持較(jiao)高(gao)的硬(ying)度，在時效(xiao)(xiao)過程中析出的富Mo析出相(xiang)(xiang)起到了強化作用(yong)，同(tong)時能(neng)使(shi)鋼(gang)保(bao)持良好的韌性(xing)，Mo還可以(yi)提(ti)高(gao)不銹鋼(gang)的耐(nai)海水腐蝕性(xing)能(neng)。Co可以(yi)抑制馬氏體中位錯(cuo)亞結構的回復，為析出相(xiang)(xiang)的形(xing)成提(ti)供(gong)更多(duo)的形(xing)核位置，降(jiang)低Mo在α-Fe中的(de)溶解(jie)度，促進含Mo的(de)析(xi)出相(xiang)生(sheng)成，起到(dao)了(le)間接強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)作用[25]。另外，在(zai)鋼中加入(ru)少量的(de)Ti會(hui)明顯(xian)提高(gao)鋼的(de)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度，但過量的(de)加入(ru)則(ze)會(hui)使鋼的(de)韌性下(xia)降。Li等[27]研究了(le)一種(zhong)(zhong)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度高(gao)達1900 MPa的(de)Cr-Ni-Co-Mo系的(de)馬氏體沉淀硬化不銹鋼，認為超高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度的(de)獲得是由于(yu)多種(zhong)(zhong)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化相(xiang)復合強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)結果。該(gai)鋼的(de)名義成分(fen)為0.004C-13.5Cr-12.7Co-3.3Mo-4.4Ni-0.5Ti-0.2Al (原子分(fen)數，%)，鋼中的(de)析(xi)出相(xiang)主要有3種(zhong)(zhong)，η-Ni3(Ti, Al)相、富Mo的R'相和富Cr的α'相，這些(xie)析(xi)出相分別是由(you)時(shi)效(xiao)初期(qi)富(fu)Ni-Ti-Al、富(fu)Mo和富(fu)Cr的簇狀顆粒轉變而來，時(shi)效(xiao)過程中由(you)于(yu)富(fu)Mo R'相和富Cr α'相的隔離作用使(shi)η-Ni3(Ti, Al)相長大緩慢。
從高(gao)強度不(bu)銹鋼(gang)的(de)發展(zhan)來看，隨(sui)著強度級別的(de)提升(sheng)，由單一(yi)(yi)強化(hua)相(xiang)(xiang)強化(hua)逐(zhu)漸向多(duo)相(xiang)(xiang)復(fu)合強化(hua)發展(zhan)，相(xiang)(xiang)較(jiao)于(yu)(yu)單一(yi)(yi)種(zhong)類(lei)析出(chu)相(xiang)(xiang)的(de)強化(hua)，復(fu)合強化(hua)更有利于(yu)(yu)鋼(gang)強度的(de)進一(yi)(yi)步提升(sheng)。然而，合金(jin)(jin)(jin)成(cheng)分(fen)和(he)(he)時效制(zhi)度對(dui)于(yu)(yu)不(bu)同種(zhong)類(lei)沉淀相(xiang)(xiang)的(de)析出(chu)和(he)(he)長大行為的(de)影響差異(yi)較(jiao)大。考慮到(dao)不(bu)同合金(jin)(jin)(jin)成(cheng)分(fen)和(he)(he)熱(re)處(chu)(chu)理(li)制(zhi)度在(zai)設(she)計新鋼(gang)種(zhong)時可以獲得不(bu)同的(de)多(duo)種(zhong)的(de)沉淀相(xiang)(xiang)，采用傳(chuan)統的(de)試錯法實驗和(he)(he)基(ji)(ji)于(yu)(yu)數據積(ji)累的(de)人(ren)工神經(jing)網絡模(mo)擬在(zai)合金(jin)(jin)(jin)設(she)計過程中(zhong)仍存在(zai)不(bu)足(zu)，因此(ci)(ci)亟需(xu)一(yi)(yi)種(zhong)新型(xing)的(de)基(ji)(ji)于(yu)(yu)物理(li)冶金(jin)(jin)(jin)的(de)模(mo)型(xing)[28]。Xu等(deng)[28,29,30]和(he)(he)Parn等(deng)[31]提出(chu)了一(yi)(yi)種(zhong)基(ji)(ji)于(yu)(yu)機(ji)器學(xue)習(xi)的(de)合金(jin)(jin)(jin)成(cheng)分(fen)計算模(mo)型(xing)，此(ci)(ci)模(mo)型(xing)整(zheng)合了合金(jin)(jin)(jin)成(cheng)分(fen)和(he)(he)相(xiang)(xiang)應的(de)熱(re)處(chu)(chu)理(li)參數，實現了所需(xu)的(de)性能在(zai)遺傳(chuan)框架(jia)內演變。此(ci)(ci)模(mo)型(xing)應用于(yu)(yu)設(she)計以MC碳化物為強(qiang)化相的超(chao)高強(qiang)度鋼，亦適用于Cu團簇、Ni3Ti、NiAl沉(chen)淀相，也可應用于設(she)計一種(zhong)由多種(zhong)類強(qiang)化相，包括MC碳化物、富Cu相和Ni3Ti金屬間化合物共同強化合金。模型包括了對鋼力學性能、耐蝕性能以及顯微組織等相應參數的模擬，為合金的成分設計提供了更為可靠的路徑。
2.2 高強度(du)不(bu)銹鋼中的韌化相及(ji)韌化機理逆轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)對高(gao)強度(du)不(bu)銹鋼韌性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響與(yu)(yu)其(qi)(qi)形貌(mao)、含量、彌(mi)散度(du)和(he)穩定(ding)性(xing)等有(you)(you)緊密的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)，其(qi)(qi)特征(zheng)又受到熱處(chu)理過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)熱速率、等溫溫度(du)和(he)時(shi)間、奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)形成(cheng)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散和(he)偏析、奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)形核位置(zhi)、尺(chi)寸以(yi)及基(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)內部位錯密度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響。現(xian)有(you)(you)研究表明，逆轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)機(ji)制(zhi)(zhi)有(you)(you)如下3種(zhong)，即無擴(kuo)散切變(bian)(bian)逆轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)機(ji)制(zhi)(zhi)[32]、變(bian)(bian)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)限(xian)制(zhi)(zhi)機(ji)制(zhi)(zhi)[33]以(yi)及殘(can)余奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)長(chang)大機(ji)制(zhi)(zhi)[34]。切變(bian)(bian)機(ji)制(zhi)(zhi)源于奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)向(xiang)馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)無擴(kuo)散切變(bian)(bian)機(ji)制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)逆過(guo)程(cheng)(cheng)，與(yu)(yu)原(yuan)(yuan)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)保(bao)持(chi)(chi)一定(ding)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)學位相關(guan)系(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)逆轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)，與(yu)(yu)原(yuan)(yuan)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)保(bao)持(chi)(chi)相同的(de)(de)(de)(de)(de)位相關(guan)系(xi)。變(bian)(bian)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)限(xian)制(zhi)(zhi)機(ji)制(zhi)(zhi)則(ze)指出，由擴(kuo)散控(kong)制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)逆轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)形成(cheng)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，其(qi)(qi)形核位置(zhi)將與(yu)(yu)原(yuan)(yuan)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)、碳(tan)化物及基(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)嚴格保(bao)持(chi)(chi)一定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)學位相關(guan)系(xi)，因此限(xian)制(zhi)(zhi)了逆轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)種(zhong)類。而殘(can)余奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)長(chang)大機(ji)制(zhi)(zhi)則(ze)認為，馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)鋼中(zhong)淬火后殘(can)留下的(de)(de)(de)(de)(de)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)會在其(qi)(qi)后的(de)(de)(de)(de)(de)回火過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)通(tong)過(guo)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)穩定(ding)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散不(bu)斷長(chang)大，從而進一步“逆轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)”為新的(de)(de)(de)(de)(de)奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組織。對0Cr13Ni4Mo馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)(de)(de)研究[34]顯示(shi)，在稍(shao)高(gao)于奧(ao)(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)開始(shi)溫度(du)(AS)的(de)(de)兩(liang)相區(qu)回(hui)火時，碳化(hua)(hua)物(Cr23C6)和(he)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)共同析(xi)出。進(jin)一(yi)(yi)步分析(xi)碳化(hua)(hua)物和(he)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)及其界(jie)面上的(de)(de)Cr、Ni元素(su)(su)分布情況，發現Cr在(zai)碳化(hua)(hua)物中的(de)(de)偏聚(ju)促進(jin)了Ni元素(su)(su)向(xiang)逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中的(de)(de)配分，Ni元素(su)(su)的(de)(de)富集降低了逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)化(hua)(hua)學(xue)驅動(dong)力(li)并增(zeng)加了界(jie)面能，因此，富Ni區(qu)域可作為逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)在(zai)回(hui)火過程中的(de)(de)形(xing)(xing)核點位(wei)(wei)(wei)，即逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)受到Ni元素(su)(su)擴(kuo)散(san)的(de)(de)控制(zhi)。進(jin)一(yi)(yi)步提高回(hui)火溫(wen)度，雖(sui)然原(yuan)子(zi)的(de)(de)擴(kuo)散(san)更為顯著，但(dan)是由于溫(wen)度的(de)(de)提高，回(hui)火馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)向(xiang)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)驅動(dong)力(li)條(tiao)件已得到滿足，故(gu)此時的(de)(de)逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)機(ji)制(zhi)為無擴(kuo)散(san)的(de)(de)切變(bian)(bian)機(ji)制(zhi)。為了進(jin)一(yi)(yi)步說(shuo)明變(bian)(bian)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)限制(zhi)機(ji)制(zhi)，Nakada等(deng)[35]研究了逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)同原(yuan)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)及馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)基(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)晶體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)學(xue)位(wei)(wei)(wei)相關系(xi)。13Cr-6Ni鋼回(hui)火后(hou)，一(yi)(yi)個(ge)原(yuan)奧(ao)(ao)(ao)(ao)晶粒內(nei)，逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)不(bu)僅(jin)均勻分布于馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)板(ban)(ban)條(tiao)界(jie)，其同位(wei)(wei)(wei)相束(shu)(blocks)和(he)板(ban)(ban)條(tiao)群(qun)(packets)界(jie)面處亦存(cun)在(zai)逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)，并且大部(bu)分與原(yuan)奧(ao)(ao)(ao)(ao)保持相同取(qu)向(xiang)，而(er)少部(bu)分取(qu)向(xiang)與原(yuan)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)不(bu)同。一(yi)(yi)個(ge)原(yuan)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)慣(guan)習面和(he)一(yi)(yi)個(ge)馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)板(ban)(ban)條(tiao)群(qun)中可能存(cun)在(zai)12種逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)變(bian)(bian)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)位(wei)(wei)(wei)相關系(xi)。可以看(kan)到，在(zai)遵(zun)循K-S關系(xi)的(de)(de)前提下(xia)，只(zhi)存(cun)在(zai)與密排面平行的(de)(de)6種不(bu)同方向(xiang)的(de)(de)馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)板(ban)(ban)條(tiao)束(shu)，每一(yi)(yi)種馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)板(ban)(ban)條(tiao)束(shu)內(nei)部(bu)只(zhi)存(cun)在(zai)2種逆(ni)(ni)(ni)(ni)(ni)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)變(bian)(bian)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)。這說(shuo)明由于奧(ao)(ao)(ao)(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)在(zai){111}γ晶面族的(de)(de)三重對稱性，一個馬氏(shi)體(ti)板(ban)條群中的(de)(de)12種(zhong)逆(ni)轉(zhuan)變(bian)奧氏(shi)體(ti)變(bian)體(ti)可被分為2類，即與(yu)原(yuan)奧保持相同取向的(de)(de)V1變(bian)體(ti)和(he)與(yu)V1具有(you)孿(luan)生關(guan)系的(de)(de)V2變(bian)體(ti)。根(gen)據(ju)Lee和(he)Aaronson提(ti)出的(de)(de)二維(wei)構建模型[35]，逆(ni)轉(zhuan)變(bian)奧氏(shi)體(ti)的(de)(de)臨界晶核(he)形(xing)狀應當(dang)滿足最小化形(xing)核(he)能的(de)(de)要求。在板(ban)條界面處形(xing)成(cheng)的(de)(de)逆(ni)轉(zhuan)變(bian)奧氏(shi)體(ti)通(tong)常與(yu)原(yuan)奧氏(shi)體(ti)晶粒(li)的(de)(de)取向一致，其核(he)心的(de)(de)α'/γ界面與馬氏體基體兩側均保持K-S關系，而原奧晶界處的奧氏體核心只與一側的基體保持了K-S關系。因此，原奧晶界處的逆轉變奧氏體由于被共格和非共格界面包裹，及兩側界處表面能和彈性應變能的差異，會形成圓球狀的形貌，而位于板條界的逆轉變奧氏體則傾向于形成長條針狀形貌。
逆轉變奧氏體含量的增加可以提高材料的塑性和韌性，而過多的逆轉變奧氏體往往會導致鋼屈服強度的惡化。Schnitzer等[36]分別計算了PH13-8Mo中強化相NiAl和韌化相逆轉變奧氏體對整體屈服強度的影響，時效處理后屈服強度40%的降低量歸因于高含量的逆轉變奧氏體，其余則歸于NiAl相的粗化。因此在要求高韌性的情況，應采用較高的時效溫度使逆轉變奧氏體含量提高[37]，但需以損失材料的強度為代價。另外，一些研究中也發現逆轉變奧氏體對塑性的不利作用，如Viswanathan等[38]的結果表明，逆轉變奧氏體對塑性的提高僅在時效初期出現，時間延長同樣會使材料發生嚴重的脆性斷裂。
2.3 高強度不銹(xiu)鋼的(de)氫脆敏感(gan)性和應(ying)力腐蝕研究隨著強度級別的升高，高強度鋼對應力腐蝕開裂(stress corrosioncracking，SCC)和氫脆(hydrogenembrittlement，HE)亦越發敏感。尤其，當污染性或腐蝕性氣體組分及H原子與應力聯合作用于高強度鋼時，極易導致裂紋萌生并逐漸擴展直至開裂。此種斷裂是服役于腐蝕環境中的高強度鋼結構件的主要失效形式，造成了巨大的安全隱患和財產損失。
可擴散氫是造成鋼塑性損失的主要因素[39]，任何降低可擴散氫的移動性的措施均可有效提高材料的氫脆敏感抗力。強氫陷阱可顯著增加鋼吸收過飽和氫的含量，從而使得進入基體中的氫無害化。上述觀點在觀察高強鋼的氫致延遲斷裂的現象中得到了一定程度的證實，即當高強鋼在低于其抗拉強度的靜態應力作用下，其會在服役一段時間發生瞬時脆斷，這種在靜載荷下發生的失效是由于侵入基體的H原子造成的[40]。作為鋼中最主要的強化相和韌化相，時效過程析出的大量彌散分布的第二相強化粒子和逆轉變奧氏體均可視為鋼中重要的氫陷阱。大量研究聚焦于通過熱處理工藝調控鋼中的“良性氫陷阱”(benign hydrogen traps)的數量及密度來阻止H在材料中的擴散，從而提高材料的氫脆敏感抗力。大量研究顯示碳化物是鋼中典型的“良性氫陷阱”并可以有效提高鋼的氫脆敏感性。例如，通過球化滲碳體顆粒或通過在奧氏體單相區內成形冷卻后快速加熱到回火溫度細化滲碳體，可有效提高鋼的氫脆敏感抗力[41]。此外，通過添加Ti、V、Nb等微合金化元素，在鋼中形成了TiC、VC、NbC等碳化物，均可作為有效的氫陷阱[42,46]。Takahashi等[47,48]利用APT直接觀察到了TiC和V4C3陷阱捕獲了氘原子。H主要被捕獲于TiC和基體的界面上，而V4C3中的陷阱點位主要是半共格界面上錯配位錯(misfit dislocation)芯部位置。借助第一性原理計算和有限元分析，進一步證實對于TiC析出而言，TiC-基體界面是主要的氫陷阱，而碳空位是V4C3中的主要陷阱位點[49]。
金屬間化合(he)物及元(yuan)素富集相(xiang)作(zuo)為(wei)氫(qing)陷阱的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)則鮮有報道(dao)。近期，Li等[50]對(dui)比了蒸(zheng)汽輪機末級葉片(pian)用17-4PH鋼和(he)PH13-8Mo鋼的(de)(de)(de)(de)氫(qing)脆行(xing)為(wei)，其研究(jiu)結果表明，鋼中(zhong)析出相(xiang)的(de)(de)(de)(de)類型以(yi)及馬氏體(ti)基(ji)體(ti)與析出相(xiang)的(de)(de)(de)(de)晶體(ti)學關系，是導致PH13-8Mo鋼相(xiang)較17-4PH鋼具有更(geng)高的(de)(de)(de)(de)表觀氫(qing)擴散系數和(he)更(geng)低(di)的(de)(de)(de)(de)表觀氫(qing)溶解(jie)度(du)的(de)(de)(de)(de)主要原(yuan)因。17-4PH鋼中(zhong)存(cun)在與基(ji)體(ti)非共格的(de)(de)(de)(de)富Cu相(xiang)，相(xiang)較于PH13-8Mo鋼中(zhong)的(de)(de)(de)(de)共格β-NiAl相，其對H原(yuan)子具有更強的(de)捕獲能力。這是因(yin)為富Cu相的(de)八面體(ti)間隙的(de)半(ban)徑(jing)為0.0529 nm，約(yue)為β-NiAl相八面體間隙的半(ban)徑(0.0206 nm)的2倍。而且，同β-NiAl相與基體的共格界面相比，富Cu相與基體的非共格界面可捕獲更多H原子。此外，共格界面上錯配位錯的芯部和臨近芯部的畸變程度較小的晶格均為弱氫陷阱[51,52]，且非共格析出相的氫脫附能(de-trapping energy)高于共格析出相的脫附能[53]。
與馬氏體基體相比，H在殘余(或逆轉變)奧氏體的擴散速率更低(在奧氏體中的擴散速率：10-15~10-16 m2/s，在馬氏體中的擴散速率：10-10~10-12 m2/s)，且H在奧氏體中的溶解度相較馬氏體更高。此外，奧氏體對于H的釘扎能可達55 kJ/mol[54]，使其可作為不可逆H陷阱位點。然而，對于不同體系鋼中奧氏體相對于材料的氫脆敏感性的影響仍存在廣泛的爭議。一些結果[55,56]表明，鋼中的逆轉變奧氏體和細小的殘余奧氏體可有效阻止H在基體中的擴散，從而提高了鋼的氫脆敏感抗力。與此相反，亦有學者[57,58]指出固溶進入奧氏體中的H原子可降低其層錯能，使得TRIP效應更易發生，新生馬氏體作為“氫源”會釋放出H原子，從而造成材料的脆化[59]。Fan等[60]報道了逆轉變奧氏體對于S41500馬氏體不銹鋼(名義成分為0.04C-13Cr-4.1Ni-0.6Mo-0.7Mn，%)的氫脆斷裂行為的影響，H原子主要富集于富Ni的逆轉變奧氏體中，而奧氏體/馬氏體界面及奧氏體/碳化物界面處無H原子的富集。回火處理后試樣準解理斷口的TEM觀察結果顯示，斷裂路徑是沿著回火馬氏體和發生相變誘導塑性(TRIP)效應新生成的馬氏體(NFM)的界面，這是因為大部分的H已被逆轉變奧氏體捕獲，而非偏聚在原奧晶界處，從而降低了逆轉變奧氏體的穩定性，促進了馬氏體相變。相變發生后，新生馬氏體將作為氫源釋放大量的H原子，使得其周圍界面聚集了大量的H原子，所產生的斷口形貌為準解理形貌而非沿晶斷裂形貌。
氫致裂紋一般于板條、同位相束、板條群及原奧晶界處形核，而后裂紋在外應力的作用下穿過板條束，沿著板條群和原奧晶界擴展。高強度不銹鋼中眾多馬氏體多級組織界面(原奧氏體晶界、馬氏體板條群界、馬氏體板條束界及馬氏體板條界)以及相界是高強度不銹鋼具有較高氫脆敏感性的原因之一。對17-4PH鋼中氫的擴散和氫脆行為的研究結果顯示，固溶態試樣的氫脆敏感抗力高于峰時效態試樣，此現象主要是因為在時效態試樣中富Cu相和基體的相界面相捕獲了較多的H，界面結合力的弱化造成了峰時效態充氫試樣的脆斷。隨著固溶處理溫度的升高，17-4PH鋼的氫脆敏感性和氫的擴散系數均呈先上升后下降的趨勢。這主要歸因于固溶溫度對于鋼中原奧氏體晶界和其后時效處理過程中析出相的數密度的影響，伴隨著固溶溫度的升高，原奧晶粒變大、晶界面積減小，但基體對于Cu原子的固溶度增加，促進了時效過程中富Cu相的析出，而析出相密度及尺寸的增加提供了更多的相界面，二者共同提供了可捕獲H的界面。
顯(xian)(xian)然，高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆(cui)敏(min)感(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)是(shi)由(you)(you)(you)鋼中(zhong)復(fu)(fu)雜多(duo)(duo)級及多(duo)(duo)相組織共同(tong)(tong)決定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)，由(you)(you)(you)于(yu)分(fen)析表征手段的(de)(de)(de)(de)限制，仍很難定(ding)(ding)量確定(ding)(ding)各類(lei)氫(qing)(qing)(qing)(qing)陷阱對于(yu)高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆(cui)敏(min)感(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)影響。基于(yu)不(bu)(bu)同(tong)(tong)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)級別(bie)、利用(yong)不(bu)(bu)同(tong)(tong)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)體(ti)系(xi)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆(cui)敏(min)感(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)影響因素仍待(dai)系(xi)統而深入的(de)(de)(de)(de)研(yan)究。具有復(fu)(fu)雜合金體(ti)系(xi)、多(duo)(duo)相耦(ou)合強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)超(chao)高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆(cui)敏(min)感(gan)(gan)(gan)性(xing)(xing)更是(shi)亟待(dai)研(yan)究。目前(qian)，筆者(zhe)團(tuan)隊研(yan)發了一種由(you)(you)(you)多(duo)(duo)相復(fu)(fu)合析出(chu)(chu)(chu)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)新型2200 MPa級高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼，該實驗用(yong)鋼的(de)(de)(de)(de)名義(yi)成(cheng)分(fen)為0.2C-9Cr-4.2Ni-3.1Mo-15.2Co-0.3V-0.9W(%)，其(qi)(qi)雙時(shi)效(xiao)態試(shi)樣的(de)(de)(de)(de)APT分(fen)析結(jie)果如圖(tu)1所示。由(you)(you)(you)圖(tu)可(ke)見，鋼中(zhong)存(cun)在明顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)富(fu)Mo/Cr/C、Mo/Cr及單(dan)純的(de)(de)(de)(de)富(fu)Cr團(tuan)簇，進一步(bu)分(fen)析可(ke)知鋼中(zhong)的(de)(de)(de)(de)析出(chu)(chu)(chu)相包括金屬(shu)間化(hua)合物(wu)、碳化(hua)物(wu)及富(fu)Cr相，其(qi)(qi)超(chao)高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)是(shi)由(you)(you)(you)3種析出(chu)(chu)(chu)相耦(ou)合強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)獲得的(de)(de)(de)(de)，亦是(shi)目前(qian)已報道的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)級別(bie)最(zui)高(gao)的(de)(de)(de)(de)高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼。筆者(zhe)團(tuan)隊亦在進行該鋼種的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆(cui)敏(min)感(gan)(gan)(gan)抗力的(de)(de)(de)(de)相關研(yan)究，以期揭示不(bu)(bu)同(tong)(tong)種類(lei)析出(chu)(chu)(chu)相耦(ou)合強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼中(zhong)不(bu)(bu)同(tong)(tong)種類(lei)氫(qing)(qing)(qing)(qing)陷阱共同(tong)(tong)作(zuo)用(yong)對其(qi)(qi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆(cui)敏(min)感(gan)(gan)(gan)抗力的(de)(de)(de)(de)影響，為提高(gao)2200 MPa級超(chao)高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)(de)綜合服役性(xing)(xing)能提供理論(lun)依據(ju)。
圖1 新型高強度不銹鋼時效態試樣APT表征結果
Fig.1 Atom probe tomography (APT) map within a selectedcube (box size is 70 nm×70 nm×240 nm) of a newly developed ultra-high strengthsteel aged specimen
美國飛機部件破壞調查報告顯示，應力腐蝕開裂是飛機關鍵承力部件在服役過程中發生突發性破壞事故的主要形式之一，起落架多數是由于應力腐蝕或疲勞裂紋擴展而導致最后斷裂[61]。目前，不僅是在航空、航天、能源、化工等高新技術和產業，在幾乎所有常用的耐腐蝕鋼種和合金中都會發生應力腐蝕現象。因此，分析超高強度鋼應力腐蝕開裂機理，并對影響超高強度鋼的應力腐蝕的因素進行分析，對確定超高強度鋼應力腐蝕防護措施具有重大的科學價值和現實意義。
材(cai)料的(de)耐蝕性(xing)(xing)能成為限制高強度(du)(du)鋼(gang)應(ying)力(li)腐(fu)蝕開(kai)裂的(de)重要因(yin)素，而點蝕是(shi)最為常見(jian)也是(shi)危害最大的(de)腐(fu)蝕形式。多數應(ying)力(li)腐(fu)蝕開(kai)裂均起(qi)源(yuan)于點蝕坑(keng)，超高強度(du)(du)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)由于時效處(chu)理(li)過程中(zhong)，從(cong)過飽和(he)馬氏(shi)體(ti)基(ji)體(ti)中(zhong)脫溶(rong)的(de)析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)造成了顯(xian)微(wei)組織的(de)不(bu)均勻(yun)性(xing)(xing)，是(shi)超高強度(du)(du)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)發生點蝕的(de)主要根源(yuan)。析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)附近鈍化(hua)膜比較薄弱(ruo)，Cl-的(de)侵入引起(qi)鈍化(hua)膜的(de)破壞(huai)，析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)和(he)基(ji)體(ti)之間形成微(wei)電池，從(cong)而使基(ji)體(ti)溶(rong)解，析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)剝落，形成點蝕。例(li)如(ru)，富Cr型的(de)碳化(hua)物M23C6、M6C和金(jin)屬間化(hua)合物Laves相和σ相等周圍易形成貧Cr區，造成點蝕現象的發生。Luo等[62]和余強[63]利用三維原子探針層析技術研究了時效時間對15-5PH超高強度不銹鋼組織和電化學行為的影響，在時效時間為1~240 min時觀察到了富含Cu的團簇和(Cu, Nb)的納米顆粒，與短期時效處理相比，長期時效處理后的樣品表面更容易受到Cl-的侵蝕。在時效240 min后，析出物周圍的Cr含量也會下降，這些部位易形成貧Cr區。而鈍化膜中Cr/Fe比值的降低是導致鈍化膜耐點蝕性能下降的原因。除此之外，富Cr型碳化物在晶界上的連續析出會降低鋼的耐晶間腐蝕性能。例如，研究[64]發現，AISI 316Ti不銹鋼比AISI 321不銹鋼具有更高的抗晶間腐蝕性能，究其原因是由于TiC的析出減少了富Cr型碳化物的形成，而富Cr碳化物是導致晶間腐蝕的析出物之一。
作為高強度不銹鋼中(zhong)最主要的韌(ren)性(xing)相，奧氏(shi)體的含量、形(xing)(xing)貌(mao)、尺(chi)寸及穩定性(xing)同樣會(hui)影響鋼的應力(li)腐蝕(shi)敏感性(xing)。在(zai)尺(chi)寸、形(xing)(xing)貌(mao)及穩定性(xing)相同的情況下，隨著奧氏(shi)體含量的增加(jia)，應力(li)腐蝕(shi)開裂門檻值(KISCC)增大，鋼的應力腐蝕開裂敏感性降低。究其原因，是因為馬氏體板條界上形成的薄膜狀奧氏體組織提高了鋼的韌性，降低了氫致裂紋的擴展速率，造成裂紋擴展速率降低的主要原因有2點，其一：裂紋由馬氏體基體擴展至薄膜狀的奧氏體時，無論是繼續擴展進入奧氏體內部或是改變擴展方向繞過奧氏體組織，均會消耗較大的能量，導致裂紋的擴展速率降低，抗應力腐蝕敏感性提高；其二：如前所述，H在奧氏體組織中有較高的固溶度，較低的偏聚傾向，且H在奧氏體中的擴散速率遠比在馬氏體組織中的小，是高強度不銹鋼中有益的氫陷阱，導致裂紋前端的氫脆敏感性降低，進而裂紋的擴展速率降低，應力腐蝕敏感性提高。需要說明的是，奧氏體的穩定性同樣是決定鋼應力腐蝕敏感性的關鍵參數，應力或應變誘導發生馬氏體相變后，由奧氏體轉變的新鮮馬氏體非但不能抑制裂紋的擴展，還會作為新的氫擴散源導致鋼氫脆敏感提高。
綜上所述，鋼的強韌性、應力腐蝕及氫脆敏感性均受到復雜多級多相組織的影響，而采用傳統試錯法設計和制備兼具超高強韌性及優良服役性能的超高強度不銹鋼難度大、周期長、成本高。相比于試錯法，理性的設計方法，例如通過建立“原子尺寸-納米尺度-微米尺度”等一系列多尺度的強韌性、應力腐蝕性能及氫脆性能分析模型，將更具有目的性。通過模擬分析結果建立高強度不銹鋼的設計標準，優化鋼中析出相、馬氏體及奧氏體組織的形態、尺寸及含量等，進一步將多尺度模擬和實際材料研發過程相結合，將大大降低材料研發難度，減少成本投入并縮短研發周期。
作為(wei)兼備優良強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)韌性(xing)(xing)及(ji)服(fu)役(yi)安全性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬結構材料，高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)在未來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)航(hang)空(kong)、航(hang)天、海洋工程(cheng)及(ji)核工業等(deng)領域有著(zhu)廣闊(kuo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)前景。鑒(jian)于(yu)(yu)此類(lei)鋼(gang)種(zhong)苛(ke)刻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)環境，對(dui)新一代高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)探索除了著(zhu)眼(yan)于(yu)(yu)進一步(bu)突(tu)破超(chao)(chao)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)-優良塑韌性(xing)(xing)匹配的(de)(de)(de)(de)(de)(de)瓶(ping)頸(jing)，還應(ying)該(gai)兼顧(gu)優良的(de)(de)(de)(de)(de)(de)服(fu)役(yi)安全性(xing)(xing)。在合(he)金(jin)(jin)設(she)計(ji)(ji)和(he)熱處理(li)(li)(li)工藝制定過(guo)程(cheng)中，由傳統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)試錯法逐漸過(guo)渡到熱/動力學輔助(zhu)合(he)金(jin)(jin)設(she)計(ji)(ji)、人工智能機械學習(xi)等(deng)理(li)(li)(li)性(xing)(xing)設(she)計(ji)(ji)方法，以(yi)極大提高(gao)(gao)(gao)新型高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)耐蝕合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研發周期、節約研發成本；對(dui)于(yu)(yu)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)中強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)韌化機理(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)仍(reng)待(dai)進一步(bu)深入，尤其(qi)是對(dui)多(duo)相復(fu)合(he)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化第二相粒子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)析出行為(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)理(li)(li)(li)解及(ji)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化貢獻值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)疊加；對(dui)于(yu)(yu)鋼(gang)中奧氏(shi)體(ti)含量(liang)、尺寸、形(xing)貌及(ji)穩定性(xing)(xing)對(dui)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)韌性(xing)(xing)影(ying)響的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)較為(wei)充分，但(dan)仍(reng)未建立有效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數學模型定量(liang)估算(suan)其(qi)對(dui)于(yu)(yu)該(gai)鋼(gang)種(zhong)韌性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)貢獻量(liang)；此外，對(dui)于(yu)(yu)超(chao)(chao)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)級別高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)復(fu)雜強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化體(ti)系下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)力腐蝕斷裂機理(li)(li)(li)和(he)氫脆敏感性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)亟待(dai)解決，從(cong)而(er)為(wei)超(chao)(chao)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)級別高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)度(du)不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)耐久性(xing)(xing)設(she)計(ji)(ji)提供可以(yi)借鑒(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)理(li)(li)(li)論(lun)依據(ju)。 （作者：劉振(zhen)寶, 梁(liang)劍雄(xiong), 蘇杰, 王曉輝(hui), 孫永慶(qing), 王長(chang)軍, 楊志勇(yong)（鋼(gang)鐵研究(jiu)總院特殊鋼(gang)研究(jiu)所）
