铁素体-马氏体双相钢的氢脆问题及解决途径

铁素体-马氏体双相钢具有在铁素体基体中分布岛状马氏体的双相组织。铁素体使得材料有低的屈服强度，而马氏体相的存在增加了材料的变形抗力，使其具有高的加工硬化指数，因此，铁素体-马氏体双相钢兼具高强度和良好的成型性及焊接性，并且具有高均匀伸长率和优良的疲劳极限等优点，故成为适应汽车行业轻量化需求的一种重要钢材。

一般认为，钢中发生氢致延迟断裂的强度门槛值为1000MPa(抗拉强度)。按强度等级，目前国内使用的双相钢钢大部分都低于这个门槛值，其氢脆风险看似并不严重。但是，由于双相钢内含有一定体积分数的高强度马氏体相，其抗拉强度可高达2000MPa，该组织本身对氢脆极其敏感，导致低强度的双相钢也可能存在严重的氢脆现象。众所周知，氢对钢铁材料寿命有严重的恶劣影响，它会显著降低伸长率和断面收缩率，使材料由延性韧窝断裂模式变为脆性解理或沿晶断裂模式，而且断裂发生突然，无明显征兆，因而往往引起严重后果。因此，铁素体-马氏体双相钢的氢脆问题不可忽视。

一，双相钢中马氏体相本身具有氢脆敏感性。试验表明，在200~500℃回火温度范围内，双相钢氢脆敏感性随回火温度升高逐渐减小，高于500℃回火后，材料对氢脆几乎不敏感，这与马氏体的充分回火有关。在低温回火态，马氏体内析出的碳化物主要以薄膜状分布于原奥氏体晶界，与富集在这些位置的氢共同作用以脆化晶界，氢致裂纹主要沿马氏体板条界或板条群界萌生和扩展；而在高温回火态，晶界碳化物球化，并在晶内析出大量弥散的细小碳化物，这些碳化物作为氢的强陷阱捕集大量的氢，有效降低界面处氢的浓度，改善了抗氢脆性能。以此推断，如果双相钢组织中的马氏体为中低碳马氏体(马氏体中的碳质量分数小于0.3%)，则氢脆倾向也较小。

二，铁素体和马氏体两相点阵常数的差异在相界处产生畸变场和错配位错，为氢在界面处的富集提供了有利位置，变形时铁素体和马氏体塑性应变的不相容导致相界处的应力集中，更加剧了氢在界面处的富集。其次，塑性形变导致相界附近的铁素体中含有较高密度的可动位错，有利于氢随位错滑移发生迁移，当这些位错以交滑移或攀移方式绕过马氏体岛在其周围留下位错环时，伴随迁移的氢可滞留在界面周围，使得马氏体岛周围的氢浓度升高，从而促进裂纹萌生。研究表明，晶粒细化可以降低材料的氢脆敏感性。晶粒细化使得晶界塞积的位错数量减少，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，所以应力集中程度降低，使得材料氢脆敏感性降低；此外，单位体积中晶界面积增多，就提供了更多的氢陷阱，稀释了氢浓度，使得晶界捕集的氢含量达不到裂纹形核所需的临界值，提高了钢的延迟断裂抗力。