奥氏体不锈钢氢脆的双重变形效应：氢可视化与微观结构分析的联合揭示

本研究针对奥氏体不锈钢（亚稳态304与稳态310S）在变形条件下氢渗透与氢脆行为的矛盾现象，通过二次离子质谱（SIMS）氢分布可视化、扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）氢活性映射，结合电子通道衬度成像（ECCI）和电子背散射衍射（EBSD）微观结构分析，揭示了变形通过α′马氏体（α′）形成对氢扩散路径与溶解度的双重调控机制，为氢环境用钢的晶向控制抗氢脆设计提供新思路。

　　

氢能作为绿色能源备受关注，但氢脆问题严重制约了钢材在高压氢环境中的应用。奥氏体不锈钢因其优异的机械性能与耐腐蚀性成为候选材料，但亚稳态304钢易因变形诱导α′马氏体（α′）形成导致氢脆，而稳态310S钢的氢脆机制尚不明确。此前研究对变形作用存在矛盾结论：部分认为α′加速氢扩散促进氢脆，另一些发现预应变通过增加α′降低氢溶解度反而抑制氢脆。这种分歧源于氢充电方法（表面阴极充电vs.整体高温气相充氢）与氢分布可视化技术的局限性。

为解决这一难题，来自Kobe Steel Ltd.的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地联合SIMS氢成像、SKPFM氢活性分析与ECCI/EBSD微观结构表征技术，系统对比304与310S钢在不同充氢方式下的行为。关键技术包括：1）采用阴极充电（表面氢）与高温气相充氢（整体氢）双模型；2）SIMS实现亚微米级氢分布可视化；3）SKPFM追踪氢逸出动力学；4）ECCI/EBSD同步解析α′、ε马氏体、变形孪晶与位错密度；5）结合X射线衍射（XRD）与Williamson-Hall法计算位错密度。

氢进入304钢的变形效应
预应变通过交叉线性变形诱导的α′（作为氢优先扩散路径）显著增加阴极充电试样的氢渗透深度，但高温气相充氢时α′的低氢溶解度反而降低整体氢含量。EBSD显示α′优先在高泰勒因子晶粒的变形孪晶（或ε）交叉处形核，SIMS证实氢沿α′网络富集。

变形促进氢进入的机制
氢可视化证明α′的管道扩散效应（非位错密度增加）是主因。SKPFM显示α′区域的氢活性更高，动态α′（高氢含量）在应力下诱发裂纹，而预存α′（低氢溶解度）抑制动态α′形成从而缓解氢脆。

310S钢的氢行为
变形仅诱发孪晶与位错密度增加，未观察到α′。SIMS未检测到氢传输加速，SSRT中无氢脆发生，证实α′是304钢氢脆的关键介质。

结论与意义
研究首次通过多尺度氢-微观结构关联分析，阐明变形对304钢氢脆的双重作用：阴极充电时α′作为“氢高速公路”加剧氢脆，而高温充氢时预存α′作为“氢陷阱”提升抗脆性。这一发现为氢环境用钢设计提供新策略——通过晶向控制优化α′分布，既可降低昂贵合金元素（如Ni、Mo）用量，又能针对性抑制氢脆。对310S钢的对比分析进一步验证了α′的核心作用，为开发高性价比抗氢脆不锈钢奠定理论基础。