关于通过喷丸处理提高热处理碳钢抗氢脆性的新见解

《Surface and Coatings Technology》：New insights into the improvement of hydrogen embrittlement resistance of heat-treated carbon steels by shot peening

氢脆抑制中喷丸处理对高强钢性能的影响研究。通过电化学渗透、SSRT和CLT试验，发现喷丸在表面形成高密度位错和纳米晶区，引入最大-650MPa残余压应力层深达250μm，使氢有效扩散系数降低47%，HE susceptibility指数下降15%-12%。结论指出残余压应力是抑制氢脆的关键因素，与材料强度无关。

　　本研究探讨了喷丸处理对不同强度等级的热处理钢（790 MPa 和 930 MPa）在抑制氢脆（HE）方面的有效性。喷丸处理是一种机械表面改性技术，通过固体颗粒的冲击作用，使材料表面产生塑性变形层，从而在一定程度上提升了材料的抗氢脆能力。该处理方式不仅改变了材料的微观结构，还引入了残余压缩应力（RCS），这些变化对于材料在氢环境中表现出更高的韧性具有重要作用。

喷丸处理导致材料表面形成塑性变形层，这使得材料中的位错密度增加，并促使晶粒结构细化。位错密度的增加和晶粒的细化对氢的扩散行为产生了重要影响，这些变化通过电化学渗透实验和热脱附光谱（TDS）等手段得到了验证。实验结果显示，喷丸处理后材料的氢扩散系数显著降低，最多可减少47%。这一结果表明，喷丸处理通过增加位错密度和细化晶粒结构，有效阻碍了氢的迁移，从而降低了材料的氢脆敏感性。

此外，喷丸处理还引入了残余压缩应力，最大值达到-650 MPa，深度为250 μm。这种残余压缩应力在材料承受恒定载荷和氢环境时，能够有效防止材料断裂。研究还发现，喷丸处理后的材料在电化学充电条件下的慢应变速率拉伸（SSRT）测试中表现出更好的机械性能，抗氢脆能力提升了15%。这表明喷丸处理不仅改善了材料的表面特性，还通过增强其塑性，有效抑制了氢脆的发生。

研究还通过扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断裂形态，发现喷丸处理后的材料具有更高的延展性，其断裂表面呈现出更显著的塑性特征。这一现象进一步证明了喷丸处理对材料表面形成的保护层的积极作用。喷丸处理后的材料在氢环境中表现出更稳定的断裂行为，而未喷丸处理的材料则更容易发生脆性断裂。

对于氢脆的机理，研究认为残余压缩应力是喷丸处理抑制氢脆的关键因素。尽管不同强度等级的材料在喷丸处理后的表现存在差异，但残余压缩应力的引入有效提高了它们的抗氢脆能力。例如，对于高强钢HS135，其最大残余压缩应力为-650 MPa，而低强钢LS115的最大残余压缩应力为-500 MPa。尽管两者在强度上有所不同，但它们的残余压缩应力都足以在氢环境下抑制裂纹的产生和扩展。

在喷丸处理后的材料中，氢的扩散行为得到了进一步的控制。通过电化学渗透实验，研究者发现喷丸处理后的材料氢扩散系数显著降低，有效减少了氢在材料中的渗透。同时，TDS实验显示，喷丸处理后的材料在低温度范围内表现出更高的氢脱附率，这表明材料中氢的捕获能力增强。喷丸处理不仅增加了位错密度，还促使了更多氢的捕获，从而减少了氢的扩散速度。

此外，研究还关注了喷丸处理对材料表面特性的影响。喷丸处理显著提高了材料的表面粗糙度，这在一定程度上反映了其塑性变形的深度和范围。对于高强钢HS135，其表面粗糙度在喷丸处理后增加了约2.5倍，而对于低强钢LS115，表面粗糙度的增加幅度略低。这表明喷丸处理对不同强度等级的材料影响有所差异，但总体上对材料表面进行了有效的改性。

喷丸处理对材料的硬度也有显著影响。在喷丸处理后的材料中，表面硬度明显增加，但随着深度的增加，硬度逐渐降低。这一趋势在两种材料中都得到了验证，表明喷丸处理在表面区域引入了更高的硬度，而在材料内部则保持较低的硬度。这种硬度的变化可能与喷丸处理引起的晶粒细化和位错密度增加有关。

在恒定载荷拉伸（CLT）实验中，喷丸处理后的材料在120 bar的氢环境下表现出更高的稳定性。经过30天的测试，喷丸处理后的HS135和LS115材料均未发生断裂，而未喷丸处理的材料则在较高的载荷下出现断裂。这一结果进一步验证了喷丸处理在抑制氢脆方面的有效性。

研究还发现，喷丸处理后的材料在氢环境中的断裂形态与未处理材料有所不同。喷丸处理后的材料在断裂区域表现出更高的塑性，而未处理材料则更容易出现脆性断裂。这种差异可能与喷丸处理引起的残余压缩应力和位错密度增加有关。残余压缩应力能够抑制裂纹的形成和扩展，而位错密度的增加则有助于氢的捕获和分散。

喷丸处理对材料的微观结构和表面特性的影响是多方面的。通过电化学渗透实验和TDS分析，研究者发现喷丸处理后的材料在氢环境中表现出更低的氢扩散系数和更高的氢捕获能力。这种变化可能与材料表面形成的塑性变形层有关，该层通过增加位错密度和细化晶粒结构，有效阻碍了氢的迁移。此外，喷丸处理还改变了材料的表面形貌，使其更加粗糙，这可能有助于提高材料的抗氢脆性能。

在讨论部分，研究者分析了喷丸处理对材料抗氢脆能力的影响。他们指出，喷丸处理不仅改变了材料的微观结构，还通过引入残余压缩应力和增加位错密度，有效抑制了氢脆的发生。对于高强钢HS135和低强钢LS115，喷丸处理均表现出相似的抗氢脆效果，这表明残余压缩应力在抑制氢脆中的作用可能更为关键。

此外，研究还探讨了氢在材料中的行为及其对材料性能的影响。通过TDS和SSRT测试，研究者发现喷丸处理后的材料在氢环境中表现出更低的氢扩散系数和更高的抗断裂能力。这表明，喷丸处理不仅改变了材料的表面特性，还通过增强其内部结构的稳定性，有效抑制了氢脆的发生。

总的来说，喷丸处理作为一种有效的表面改性技术，能够显著提升不同强度等级的热处理钢在氢环境中的抗氢脆能力。其通过引入残余压缩应力、增加位错密度和细化晶粒结构，有效阻碍了氢的迁移和聚集，从而降低了材料的氢脆敏感性。这一研究为未来在氢能源系统中使用喷丸处理技术提供了理论支持和实验依据。