基于微观结构不可知论的深度学习方法，用于揭示耐腐蚀Co-Cr-Fe-Ni金属间化合物（MPEAs）的腐蚀机理

《ACTA MATERIALIA》：Microstructure-Agnostic Deep Learning for Mechanistic Discovery of Corrosion-Resistant Co-Cr-Fe-Ni MPEAs

氢解吸激活能与V4C3碳化物尺寸及界面类型相关性研究。通过热脱附分析和APT表征发现，半共格V4C3界面（<30nm）对应氢解吸能46.4kJ/mol，非共格界面（>30nm）对应67.7kJ/mol，而碳空位贡献124.3kJ/mol的高能解吸峰。计算模拟显示非共格界面氢陷阱浓度是半共格的两倍，证实V4C3碳化物通过界面效应和碳空位显著提升中锰钢抗氢脆性能。

　　本文探讨了在马氏体中锰钢中，半相干与非相干钒碳化物（V carbides）对氢脱附活化能（E_H）的影响，以及这些析出相如何影响氢脆（HE）的抗性。研究中通过热脱附分析（TDA）与第一性原理模拟相结合，识别了四种不同的氢脱附峰，并分析了它们与析出相的界面特性之间的关系。结果表明，钒碳化物在提高氢脆抗性方面具有重要作用，尤其是在特定尺寸下，其界面特性显著影响氢的捕获能力。

在工业应用中，马氏体中锰钢因其出色的拉伸性能而受到广泛关注。这类钢通常含有3–10%的锰，能够提供高强度与良好的延展性。然而，其氢脆抗性较差，限制了其在某些环境下的使用。氢脆现象通常与氢在材料中的扩散、聚集和随后的应力诱发裂纹扩展有关。在研究中，作者通过慢应变速率拉伸试验（SSRT）评估了不同中锰钢的氢脆抗性，发现这些钢在氢含量较高的情况下表现出显著的延展损失，例如5Mn钢的延展损失达到约74%，9Mn钢为约95%，5.45Mn钢则为约97%。这表明这些材料对氢的敏感性较高，需要通过添加微量元素如钒（V）来改善其性能。

钒作为微合金元素，其碳化物在钢中能够有效捕获氢，从而提高氢脆抗性。研究指出，V的添加使钢中形成了大量的球形V?C?析出相，这些析出相的平均碳/钒比为0.6。这些析出相的界面特性与其尺寸密切相关：尺寸小于30纳米的V?C?析出相形成了半相干界面，具有约0.07的应变失配，符合Baker-Nutting取向关系；而尺寸超过30纳米的析出相则表现出非相干界面。这种界面特性差异对氢的捕获行为具有重要影响。

热脱附分析（TDA）结合第一性原理模拟揭示了四种不同的氢脱附峰。第一峰（约75°C）与半相干V?C?界面及其他可逆陷阱位点有关。第二峰（约100°C，E_H = 46.4 kJ/mol）源于半相干V?C?界面周围的弹性场中捕获的氢。第三峰（约520°C，E_H = 67.7 kJ/mol）来自非相干V?C?界面周围的弹性场。第四峰（约631°C，E_H = 124.3 kJ/mol）则与V?C?析出相内部的碳空位有关。这些氢脱附峰的温度和活化能差异反映了不同界面结构对氢的捕获能力的差异。

根据Oriani的平衡理论，结合球形析出相模型和氢结合能，计算得出非相干析出相中的氢捕获分数约为半相干析出相的两倍。这一趋势与TDA结果一致，其中第三峰的氢含量约为第二峰的两倍。这表明，非相干V?C?析出相在氢的捕获方面更具优势，因此对提高氢脆抗性更为有效。

在实验中，作者采用了一种高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）来分析V?C?析出相的界面特性，并通过原子探针断层扫描（APT）进一步确认了析出相的化学组成。研究发现，V?C?析出相在尺寸小于5纳米时表现出较高的氢脱附活化能（62–67 kJ/mol），而尺寸在5–20纳米之间时，其活化能则降至52–58 kJ/mol。当析出相尺寸超过20纳米时，几乎未观察到氢脱附峰，表明氢主要被捕获在界面区域，而非析出相内部。此外，随着时效时间的增加，析出相的粗化导致总界面面积减少，从而降低了整体的氢捕获能力。

尽管已有研究表明，V?C?析出相在氢脆抗性方面优于VC析出相，但关于球形VC析出相的界面特性及其对氢脱附活化能的影响仍存在争议。例如，Lin等人在未时效的34MnB5马氏体钢中报告了非相干VC析出相的E_H约为48.0 kJ/mol，而Lee等人在时效过的NIMS17钢中则测得球形VC析出相的E_H约为27.4 kJ/mol。然而，这些研究并未明确说明析出相的具体类型，也未涉及析出相尺寸对E_H的影响。此外，非相干VC析出相的E_H值低于非相干NbC（约63 kJ/mol）和非相干TiC（约137 kJ/mol）析出相的值，甚至低于半相干VC析出相的E_H值（约52–58 kJ/mol）。这可能是因为在TDA测试中，对于非相干VC析出相的测试温度较低，未能捕捉到高于400°C的氢脱附峰，而对非相干NbC和TiC析出相的测试温度则更高，从而得到了更准确的E_H值。

本研究的目的是通过APT和HRTEM技术，明确球形VC析出相是否为V?C?，并分析其界面特性随尺寸变化的趋势。研究还通过SSRTs评估了V碳化物对马氏体中锰钢氢脆抗性的影响。实验结果显示，添加V的钢中形成了大量球形V?C?析出相，且这些析出相的界面特性随尺寸变化而不同。较小的析出相形成半相干界面，而较大的析出相则形成非相干界面。通过TDA测试，作者进一步确认了这些析出相对氢脱附行为的影响，发现非相干析出相的氢脱附峰温度和活化能均高于半相干析出相。

研究还指出，V?C?析出相的氢脱附行为与其尺寸密切相关。当析出相尺寸较小时，其氢脱附活化能较高，而随着尺寸的增大，活化能逐渐降低。这种现象可能与析出相的界面特性变化有关，较小的析出相具有更高的界面应变和更紧密的取向关系，从而能够更有效地捕获氢。相比之下，较大的析出相由于界面不匹配程度增加，其氢捕获能力有所下降。此外，析出相内部的碳空位也被认为是氢捕获的重要位点，尤其是在较高温度下，这些空位能够促进氢的脱附。

本研究的结果表明，V?C?析出相在提高马氏体中锰钢的氢脆抗性方面具有重要作用。通过优化析出相的尺寸和分布，可以进一步增强材料的抗氢脆性能。此外，研究还强调了第一性原理模拟在分析氢脱附行为中的重要性，这些模拟能够提供关于氢在不同界面和析出相中的捕获机制的深入见解。

总的来说，本研究揭示了V?C?析出相在马氏体中锰钢中的关键作用，特别是在氢的捕获和抗氢脆性能方面。通过结合实验与模拟方法，研究不仅明确了析出相的类型和界面特性，还为未来开发具有更高抗氢脆性能的中锰钢提供了理论依据和技术支持。这些发现对于工业应用具有重要意义，尤其是在需要高强韧性且可能接触氢环境的材料设计中。