高强度马氏体钢在超高周疲劳区的氢致表面-内部反向裂纹萌生机理研究

为解决湿蒸汽环境下汽轮机末级叶片用高强度马氏体不锈钢PH13-8Mo的氢致超高周疲劳（VHCF）失效问题，研究人员通过轴向循环试验结合多尺度表征技术，揭示了氢吸附促进表面滑移（AIDE/HELP机制）引发裂纹萌生并向内部扩展的反常现象，为腐蚀环境中高洁净度钢结构的表面防护设计提供了理论依据。

　　

在能源领域，汽轮机末级叶片长期承受高频交变应力和湿蒸汽腐蚀的双重威胁，其设计寿命常超过1×10⁷次循环，属于典型的超高周疲劳（VHCF）问题。更棘手的是，湿蒸汽环境会通过电化学反应产生氢原子，这些氢渗透到高强度马氏体钢中可能引发氢脆（HE），导致叶片提前失效。尽管冶金技术进步已能生产出超洁净的PH13-8Mo不锈钢，但氢在VHCF过程中如何影响裂纹萌生位置的选择——是从表面还是内部缺陷起始——仍是未解之谜。

上海理工大学的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究，通过设计不同应力比（R=-1和0）的轴向循环试验，结合扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等先进表征手段，首次发现了PH13-8Mo钢在湿蒸汽环境中"由表及里再及表"的反常裂纹扩展路径。研究还创新性地引入氢扩散理论计算，揭示了环境氢吸附如何通过AIDE（吸附诱导位错发射）和HELP（氢增强局部塑性）机制改变传统VHCF裂纹萌生规律。

关键技术方法
研究采用经925°C固溶+540°C时效热处理的PH13-8Mo钢试样，在湿蒸汽环境中开展轴向疲劳试验，通过SEM观察裂纹萌生区形貌，TEM分析位错结构，并结合氢扩散方程计算氢渗透深度。特别关注了表面滑移带与内部微观缺陷（平均尺寸22±3μm的原奥氏体晶界）的竞争机制。

研究结果

Material
PH13-8Mo钢的原始组织显示为典型马氏体板条结构（图2c），板条内存在高密度位错，时效处理后析出纳米级强化相（图2d）。这种多级层次结构为氢陷阱提供了丰富位置。

Microstructural characteristics
氢扩散计算表明，在10⁷次循环（约3天）的典型试验周期内，氢原子可渗透至表面下约50μm深度（式1）。这解释了为何表面吸附氢能持续影响亚表层塑性变形。

The effect of hydrogen diffusion on fatigue cracking
断口分析发现：低应力幅下裂纹优先从表面滑移带萌生，伴随明显挤出脊和侵入沟（图3a）；而高应力幅下内部微缺陷（如Al₂O₃夹杂）成为裂纹源。TEM显示裂纹尖端存在氢致位错墙（图5b），证实HELP机制的作用。

Conclusions

1. 湿蒸汽环境中的氢通过AIDE机制促进表面位错发射，使PH13-8Mo钢在VHCF区呈现"表面→内部→表面"的独特裂纹扩展路径；
2. 氢在晶界处形成空位-氢团簇（HEDE机制），与HELP协同加速裂纹扩展；
3. 表面强化处理可有效抑制氢吸附，提升超洁净钢在腐蚀环境中的VHCF性能。

这项研究颠覆了传统VHCF理论中"内部缺陷主导"的认知，首次揭示氢环境如何通过表面吸附改变裂纹萌生竞争机制。成果不仅为汽轮机叶片选材提供指导，更开创性地提出"表面工程对抗氢脆"的新思路，对核电、化工等领域的高强钢构件设计具有普适意义。