亚稳态奥氏体不锈钢氢环境脆化的多尺度建模与α'-马氏体相变机制研究

本研究针对亚稳态奥氏体不锈钢(SUS316L)在氢能基础设施中的脆化问题，通过慢应变速率试验(SSRT)结合多尺度有限元建模，揭示了低温下α'-马氏体相变作为裂纹形核核心的作用机制。研究人员开发了Abaqus用户子程序动态追踪晶格氢与位错捕获氢的分布，首次建立了氢饱和度与断裂应力的定量关系，发现198K附近马氏体形貌转变会形成最优氢扩散路径。该研究为液化氢储罐材料的抗震安全性评估提供了理论依据。

　　

随着氢能产业的快速发展，奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性能成为氢能基础设施的关键材料。然而在低温服役环境下，这类材料的亚稳态特性会引发致命的氢环境脆化(HEE)问题。更棘手的是，地震等突发载荷可能导致材料发生马氏体相变，进一步加剧脆化风险。日本研究人员针对这一工程痛点，开展了系统的多尺度研究，其成果发表在《Materials》上，为氢能装备的安全设计提供了重要理论支撑。

研究团队采用慢应变速率试验(SSRT)结合多尺度有限元建模的创新方法，通过Abaqus用户子程序实现了晶格氢(D_L)与位错捕获氢(C_t)的动态追踪。实验样本来自预应变(0-15%)的SUS316L材料，在123-273K温度区间进行测试。关键技术包括：氢扩散动力学方程修正、McLachlan混合相变模型、基于泰勒方法的位错密度计算，以及通过铁素体测定仪(FM)校准马氏体体积分数。

氢扩散过程建模
通过修正的菲克第二定律，建立了考虑应力状态和陷阱效应的氢扩散方程。关键参数如α'-马氏体扩散系数(D^α')采用体心立方(BCT)铁近似，位错陷阱密度通过ρ_d=(σ_i-100)/135)²计算。

相变与氢饱和关系
实验发现198K出现最大脆化现象，此时马氏体体积分数仅6.1%。模型显示该温度下马氏体形貌转变为板条状，形成氢扩散快速通道。预应变10%的试样在173K时断裂应力比(σ_f/σ_y)降至1.39，对应17.7%马氏体含量。

临界状态预测模型
推导出断裂应力比与氢饱和度的定量关系：对于预应变材料，σ_f/σ_y=0.332-0.155ln(?_L)-0.45ln(θ_T)，其中晶格氢饱和度?_L=C_L/s_m，陷阱氢饱和度θ_T=C_T/N_T。

研究证实α'-马氏体形貌演变是解释温度敏感脆化的关键：在198K以下，板条状马氏体形成连续氢通道；而4K预应变产生的ε-马氏体进一步恶化材料性能。该发现为氢能设备抗震设计提供了两个重要准则：需控制马氏体转变温度窗口，并严格限制塑性变形量。未来研究可结合原位电镜进一步验证马氏体形貌与氢扩散的时空关联。