低温回火通过内应力弛豫缓解1.8 GPa级热成形钢氢脆机制研究

【编辑推荐】为破解1.8 GPa级超高强热成形钢(PHS)的氢脆(HE)难题，研究人员创新性提出90°C低温回火处理方案。研究发现该技术通过弛豫残余内应力和降低氢扩散速率，在保持抗拉强度(UTS)前提下显著提升HE抗性，为轻量化汽车材料安全应用提供新策略。

　　

在汽车轻量化浪潮中，热成形钢(Press-Hardened Steel, PHS)因其优异的强度-重量比成为车身结构的核心材料。近年来，随着1.8 GPa级超高强PHS的研发成功，材料轻量化潜力进一步释放，但随之而来的氢脆(Hydrogen Embrittlement, HE)问题却成为制约其工程应用的"阿喀琉斯之踵"。当这种超高强钢暴露在含氢环境中时，氢原子会渗透到金属晶格中，导致材料在远低于屈服强度的应力下发生脆性断裂，严重威胁行车安全。传统解决方案往往以牺牲强度为代价，如何在保持材料力学性能的前提下提升抗HE能力，成为学术界和工业界共同面临的重大挑战。

针对这一难题，来自广东省科学院等机构的研究团队在《Scripta Materialia》发表突破性研究成果。研究首次证实，仅需90°C的低温回火处理即可显著提升1.8 GPa级PHS的HE抗性，且不会影响其超高强度特性。这一发现颠覆了传统认为需要高温处理才能改善HE抗性的认知，为超高强钢的安全应用开辟了新路径。

研究采用多尺度表征技术体系：通过X射线衍射(XRD)定量分析残余应力演变，电化学氢渗透测试评估氢扩散动力学，慢应变速率拉伸(SSRT)实验量化HE敏感性，结合透射电镜(TEM)观察微观组织演化。所有试样均取自工业级1.8 GPa PHS板材，确保研究结果的工程适用性。

【残余应力弛豫机制】XRD分析显示，90°C回火使材料内部残余应力降低23.7%，这种应力弛豫有效抑制了氢在应力集中区域的偏聚。TEM证实回火过程中位错重组形成更稳定的亚结构，为氢陷阱提供了均匀分布位点。

【氢扩散动力学调控】电化学测试表明，低温回火使氢扩散系数下降41.2%，归因于位错重排形成的致密陷阱网络延缓了氢迁移。第一性原理计算揭示，弛豫后的晶格结构使氢结合能提高0.15 eV，增强了氢捕获能力。

【力学性能平衡】SSRT结果显示，经90°C回火处理的试样在氢预充条件下延伸率提升82%，而抗拉强度(UTS)仍保持1.76±0.03 GPa。断口分析表明，处理后的材料断裂模式从沿晶脆断转变为韧窝状延性断裂。

该研究从理论层面阐明了低温回火通过"应力弛豫-扩散抑制"双途径协同抗HE的机制，在工程应用上提出了一种低成本、易实施的解决方案。特别值得注意的是，90°C处理温度与汽车涂装烘干工艺兼容，可直接整合到现有生产线中。研究团队提出的"强度-氢脆"平衡策略，不仅适用于汽车领域，对航空航天、海洋工程等涉及氢环境的高强钢应用同样具有指导意义。

这项工作的创新性在于突破了传统材料强韧性取舍的思维定式，证明通过精准调控微观应力状态即可实现性能优化。正如通讯作者Z.C. Luo在讨论部分强调的："低温回火创造了一种亚稳态组织结构，就像为氢原子编织了一张'温柔的束缚网'，既限制其破坏性流动，又不损害材料的刚劲本色。"该成果为发展下一代高强韧一体化金属材料提供了重要理论支撑。