优化脱碳对超高强度马氏体钢氢渗透及中性水溶液腐蚀行为的影响研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of optimized decarburization on hydrogen uptake and aqueous corrosion behaviors of ultrastrong martensitic steel

本研究针对2.4 GPa级超高强度马氏体钢在富氢/腐蚀环境中氢脆敏感性高、耐蚀性差的关键瓶颈，通过优化脱碳工艺调控表面碳梯度，系统探究了微观结构演变对氢演化/吸附/渗透行为及中性水溶液腐蚀动力学的影响。结果表明，1100°C优化脱碳形成的铁素体/马氏体双相结构可显著抑制氢渗透（稳态渗透电流密度降低至12 μA/cm2）并提升腐蚀阻力（电荷转移电阻提高约30%），而非优化条件（如1200°C）因粗大Fe3C析出及多孔亚表层反而加剧氢损伤与局部腐蚀。该研究为超高强度钢表面改性提供了创新策略。

　　

随着全球碳中和目标的推进，汽车轻量化已成为减少碳排放的关键路径之一，这对材料强度提出了更高要求。超高强度马氏体钢（抗拉强度>2 GPa）因其优异的力学性能成为理想候选材料，但高碳含量（0.4–0.6 wt.%）在提升强度的同时，也带来了两大致命弱点：一是氢脆敏感性急剧升高，二是耐腐蚀性能显著下降。这两大问题严重制约了该类钢材在恶劣环境（如海洋大气、酸雨环境）下的长期服役安全。以往研究表明，碳元素的存在会通过形成渗碳体（Fe₃C）降低氢过电位，促进氢析出反应，并作为可逆氢陷阱增加扩散性氢浓度，最终诱发氢致开裂。然而，如何通过表面工程手段在保持钢材整体强度的前提下，精准调控表面化学状态以协同提升耐蚀性和抗氢脆能力，仍是当前研究的难点。

为破解这一难题，韩国顺天国立大学先进材料与冶金工程系的Sung Jin Kim团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一项创新研究。他们以抗拉强度达2.4 GPa的超高强度马氏体钢为对象，系统探讨了通过高温脱碳处理调控表面碳梯度对其氢渗透行为和中性水溶液腐蚀性能的影响。研究首次将脱碳工艺优化（温度区间1100–1200°C）与微观结构演变、电化学响应、原子尺度吸附能计算相结合，揭示了优化脱碳条件下表面铁素体化的积极作用，以及非优化条件下Fe₃C粗化与多孔层形成的危害机制。

本研究综合运用了场发射扫描电镜（FE-SEM）与电子背散射衍射（EBSD）进行微观结构表征，通过电化学阻抗谱（EIS）和氢渗透测试（Devanathan-Stachurski双电解池法）评估氢演化与渗透动力学，并采用线性极化电阻（LPR）和浸泡失重法量化腐蚀行为。此外，利用密度泛函理论（DFT）计算了氢在Fe（100）、Fe-C及Fe₃C（001）表面的吸附能，从原子尺度阐释了碳掺杂与碳化物对氢捕获能力的影响。所有钢样均来自同一批次工业热轧板，经不同温度（1000、1100、1200°C）脱碳处理后水淬，再经930°C奥氏体化快速冷却，以模拟实际热处理流程。

3.1. 微观结构分析

通过FE-SEM和EBSD分析发现，1000°C处理样品保持全马氏体结构，表面硬度均匀（约530 HV）；1100°C样品表面形成约70–80 μm铁素体层，逐渐过渡至内部马氏体，硬度降至280–300 HV；1200°C样品则出现粗大球状Fe₃C颗粒及多孔亚表层（由碳快速脱除与柯肯达尔空穴导致）。EBSD相图显示1200°C样品中Fe₃C体积分数最高，且原奥氏体晶粒尺寸随脱碳温度升高而粗化（1000°C: 9.2 μm → 1200°C: 17.5 μm）。核平均误取向（KAM）分析表明，更高温度处理伴随位错密度降低（平均KAM值从1.608°降至1.321°），说明应变逐步释放。

3.2. 腐蚀行为

电化学测试与失重结果一致表明，1100°C样品具有最高电荷转移电阻（R_ct）和最低腐蚀电流密度（i_corr），浸泡14天后质量损失最小（约6.4×10^?7 g/cm2）；而1200°C样品因Fe₃C/基体间电化学差异（电位差约40 mV）促进局部电偶腐蚀，腐蚀最深且失重最大（约1.2×10^?6 g/cm2）。截面形貌显示1100°C样品腐蚀均匀浅层，1200°C样品则出现沿碳化物界面的深孔蚀。

3.3. 氢相关电化学响应

氢渗透曲线显示1100°C样品稳态渗透电流密度最低（12 μA/cm2），亚表面氢浓度（C_H,Sub）最小；1200°C样品因Fe₃C催化活性导致氢析出过电位最低、渗透电流最高（25 μA/cm2）。EIS在阴极极化（-50 mV vs. OCP）下测得1100°C样品阻抗弧最大，表明其界面电荷转移阻力最高。在预充氢条件下进一步分析发现，1200°C样品虽显示较高氢演化电阻，但氢吸附电阻最低，说明Fe₃C表面更易发生氢吸附/横向扩散。

3.4. 氢吸附能的DFT计算

DFT模拟揭示氢在Fe₃C（001）表面桥位点的吸附能最负（-0.72 eV for 2H），显著低于Fe（100）（-0.54 eV）和Fe-C表面（-0.63 eV），证实Fe₃C对氢的捕获能力最强，与实验观察到的其促进氢吸附现象一致。

研究结论部分强调，通过优化脱碳工艺（1100°C）在超高强度马氏体钢表面构建铁素体/马氏体双相结构，可有效抑制氢渗透、提升耐蚀性，而过高温度（1200°C）导致的Fe₃C粗化与多孔层则会加剧氢损伤与局部腐蚀。DFT计算从热力学角度证实了Fe₃C对氢的强吸附倾向。该工作不仅阐明了碳梯度调控对表面电化学特性的影响机制，更为开发耐氢脆/腐蚀一体化的超高强度钢提供了理论依据与工艺窗口，对延长高强钢在苛刻环境下的服役寿命具有重要工程意义。