含V低合金高强度钢中氢与位错的相互作用研究

汪 犁 程晓英 蔡贞祥 赵佩文 彭 浩

（上海大学材料研究所，上海 200072）

随着石油等资源的开发从陆地转向海洋，严酷的海洋环境对海洋工程的系泊性能提出了更高的要求。在改善力学性能的同时，氢脆导致钢的突然失效成为工程应用中的一大挑战[1-4]。研究表明，提高钢的强度并无益于氢脆问题的解决，反而会增加钢的氢脆敏感性，特别是当钢的抗拉强度超过1 000 MPa后，氢脆几乎成为钢不可避免的失效原因[4-6]。沉淀强化、位错强化和固溶强化等是钢在工程应用中常见的强化手段，其强化机制都与位错的运动密切相关，而钢中氢原子也会影响位错运动。Sirois等[7]通过对充氢Ni和Ni-C合金进行应力松弛试验，发现溶质氢原子可以降低位错运动的活化焓，这一结果被认为是氢促进局部塑性（hydrogen enhanced local plasticity，HELP）机制的有力证据。目前有很多学者对氢-位错相互作用进行了大量的模拟和计算，但定量研究热激活能和可动位错密度与氢之间的关系也很有必要[8]。因此，本文研究了不同温度回火的系泊用含V低合金高强钢的组织形貌、氢脆敏感性以及应力松弛性能，从力学性能的角度理解氢与位错之间的交互作用。

1 试验材料与方法

本文研究的低合金高强度钢是以系泊链钢的化学成分为基础，加入一定量的V熔炼而成，其化学成分如表1所示。试验钢经真空感应熔炼后在1 200℃左右锻造，随后在1 080℃热轧，最后进行冷轧，冷轧变形量为60% 。冷轧板在920℃保温30 min后淬火，然后分别在560、600和640℃回火2 h空冷，试样分别标记为T560、T600、T640。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the experimental steel（mass fraction） %

采用JEM-2100F型透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）观察试样的微观形貌。拉伸试样为标距16 mm、厚度1 mm的片状试样（图1），拉伸试验在MTS Landmark电液伺服试验系统上进行，试验温度为20℃，应变速率为10－4s－1，在拉伸过程中使用二维光学全场应变测试对试样的应变进行监控。为了研究氢浓度对试样性能的影响，采用电化学充氢方法控制试样内部的氢浓度。动态充氢拉伸和应力松弛试验均采用0.5 mol/L H2SO4＋5 g/L CH4N2S混合溶液进行电解充氢。使用HITACHI SU-1500型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察拉伸试样的断口形貌。

图1 拉伸试样示意图Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen

2 结果与分析

2.1 微观组织

图2为T560和T640试样的TEM明场像。可以看出，试验钢基体中主要分布着棒状和球状析出相，其中棒状析出相与基体之间有一定的位相关系，之前的研究[9]表明其为Fe3C和VC颗粒。此外还观察到了大量位错缠结（图2（b）），前期计算[10]表明，T560、T600和T640试样的位错密度分别为3.39×1011、1.60×1011和2.21×1010cm－2。

图2 不同温度回火试样的TEM明场像Fig.2 TEM bright field images of samples tempered at different temperatures

2.2 氢对力学性能的影响

图3为未充氢和在不同电流密度下动态充氢试样的工程应力-工程应变曲线。如图3（a）所示，未充氢试样的拉伸曲线有明显的屈服点，在应力达到强度极限后出现明显的颈缩，且随着回火温度的升高，试样的屈服强度、抗拉强度提高，断裂应变降低。而动态充氢拉伸的试样出现了明显的塑性损失，且在相同电流密度下随着回火温度的升高，塑性损失降低。当充氢电流密度为1.0 mA/cm2时，T640试样在应变超过4% 后发生断裂（图3（d）），而相同电流密度下T560试样达到屈服后即发生断裂，应变小于2% （图3（b））。

图3 未充氢试样和在不同电流密度下动态充氢试样的工程应力-工程应变曲线Fig.3 Engineering stress-engineering strain curves of hydrogen-uncharged samples and samples dynamic hydrogen-charged at different current densities

图4为未充氢和在不同电流密度下动态充氢试样的拉伸断口形貌。可见未充氢试样的拉伸断口呈现典型的韧窝形貌，断口表面可以观察到大而深的韧窝（图4（a，d，g））。当充氢电流密度为1.0 mA/cm2时，T560试样表现为解理断口（图4（c）），而T640 试样表现为韧窝断口（图4（h））。当充氢电流密度为1.5 mA/cm2时，T600试样表现为沿晶断口（图4（f）），而在充氢电流密度为2.8 mA/cm2时，T640试样仍表现为韧窝断口（图4（i））。可见3种试样中T640试样的氢脆敏感性最小。

图4 未充氢试样和在不同电流密度下动态充氢试样的拉伸断口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of hydrogen-uncharged samples and samples dynamic hydrogen-charged at different current densities

氢脆指数（R）可用来表征试验钢的氢脆敏感性，氢脆指数计算公式[11]为：

式中：ψair为在空气中拉伸的断面收缩率；ψH2为在不同电流密度动态充氢后拉伸的断面收缩率。表2为试样的拉伸性能及氢脆指数。可以看出，T560试样在较小的充氢电流密度下就具有较高的氢脆指数，T600试样次之，T640试样最小，这也与图2中应力-应变曲线的变化趋势一致，即T560试样的氢脆敏感性最大。

表2 未充氢试样和在不同电流密度下动态充氢试样的力学性能及氢脆指数Table 2 Mechanical properties and hydrogen embrittlement index of hydrogen-uncharged samples and samples dynamic hydrogen-charged at different current densities

研究表明，在相同的氢浓度下，位错在塑性变形过程中可以充当氢原子的快速传输通道，高密度的位错有利于氢在内部的积累，当达到临界氢浓度时裂纹开始萌生[12]。在动态充氢过程中，试样相当于处在一个恒定的氢扩散源中，源源不断的氢原子在变形新形成的位错携带下进入试样内部，比位错与氢结合能更大的陷阱会在扩散过程中捕获氢，最终剩余的氢原子才有机会吸附在裂纹尖端，达到临界氢浓度后导致氢致开裂，所以动态充氢过程中的氢脆敏感性主要取决于试样内部不可逆氢陷阱数量和位错密度。在相同的电流密度下，T560试样比在其他温度回火的试样更早发生断裂，这也符合位错充当氢快速传输通道的机制。为了进一步研究氢原子对位错运动的影响，对T560和T640试样进行循环应力松弛试验。

2.3 氢对应力松弛的影响

图5是未充氢和预充氢T560和T640试样在空气中的应力松弛曲线（显示前8个循环），其中充氢试样重复50个循环后停止（仍有松弛现象），未充氢试样重复20个循环后停止（已无松弛现象）。在相同循环周次下，未充氢和预充氢试样的应力松弛曲线之间存在很大差异，可见预充氢不仅增加了试样的松弛循环次数和松弛率，且T640试样预充氢后的应力松弛水平有较大提高（图5（b））。

图5 未充氢和预充氢试样在空气中的应力松弛曲线（前8个循环）Fig.5 Stress relaxation curves of hydrogen-uncharged and hydrogen pre-charged samples in air（the first 8 cycles）

钢的塑性变形过程与可动位错有关，应力松弛过程中每个循环的可动位错密度占比可表示为[13-14]：

式中：ρm（t）为应力松弛某一时刻的可动位错密度；ρm（0）为应力松弛初始阶段的可动位错密度；对应于第j个应力松弛循环开始时的应力变化率；对应于第1个循环开始时的应力变化率。

图6为未充氢和预充氢试样的可动位错密度占比与应力松弛循环周次之间的关系。可以看出，随着循环次数的增加，未充氢试样的可动位错密度占比下降较为明显，而预充氢试样的变化较为缓慢，且在相同条件下T560试样的可动位错密度占比高于T640试样。值得注意的是，T560试样经过预充氢后的可动位错密度占比均大于1，且在前8个循环中试样的可动位错密度占比几乎不随应力松弛周次的增加而衰减，这表明在一个新的应力松弛周期开始时，试样的可动位错密度较应力松弛初始状态更高。Sofronis等[15]研究表明，氢原子能通过弱化位错与局部障碍物之间的应力场来增强位错运动，这也被称为氢的屏蔽效应。T560试样经过预充氢后，氢的屏蔽效应减弱了溶质原子拖曳作用对位错运动的影响，将一些被钉扎的位错激活。相比于未充氢试样，预充氢T640试样的可动位错密度占比有所提升。

图6 可动位错密度占比与应力松弛循环周次之间的关系Fig.6 Relationship between the percentage of mobile dislocation density and cycle of stress relaxation

应力松弛试验中施加在拉伸试样上的外加应力由有效应力（σeff）和内应力（σμ）两部分组成[14]。在应变速率控制的塑性变形过程中，σeff是位错运动的驱动力，σμ是位错运动的阻力，σeff与外加应力σ的比值为有效应力比，其表征了每个周期中应力松弛的水平。图7为未充氢和预充氢试样在空气中应力松弛的有效应力比。可以看出，两种试样的有效应力比均随循环次数的增加而降低，预充氢处理可以在一定程度上提高试样的有效应力，T640试样预充氢后有效应力提高更为显著。

图7 未充氢和预充氢试样在空气中应力松弛过程的有效应力比Fig.7 Effective stress ratio of hydrogen-uncharged and hydrogen pre-charged samples during stress relaxation in air

有效激活体积是有效应力σeff驱动位错线克服能垒扫过区域与伯氏矢量的乘积，有效激活体积的大小与位错运动的难易程度有直接关系，有效激活体积计算公式[16]：

表3为试样表观激活体积、有效激活体积和激活体积硬化项的计算结果。可以看出，预充氢试样的有效激活体积和相对激活体积小于未充氢试样，相较于有效激活体积，预充氢对激活体积硬化项的影响并不显著。可见氢主要通过改变试样的有效激活体积影响位错的运动。

表3 在空气中应力松弛的试样的表观激活体积、有效激活体积和激活体积硬化项Table 3 Apparent activation volume，activation volume and hardening term of activation volume of the samples during stress relaxation in air

3 结论

（1）试样在空气中拉伸呈现典型的塑性断裂特征。动态拉伸时随着充氢电流密度的增加，试样塑性损失增加；在相同充氢电流密度下，随着回火温度的升高，试样的氢脆敏感性降低。

（2）试样预充氢后松弛循环次数和松弛率增加，氢原子的引入降低了位错运动的有效激活体积。

（3）氢能明显影响应力松弛过程，氢原子的屏蔽效应减弱了溶质原子拖曳作用对位错运动的影响，将一些被钉扎的位错激活。