双相不锈钢氢脆行为研究：拉伸预应变温度与应变水平的协同调控机制

针对海洋装备用双相不锈钢(DSS)在阴极保护过程中易发生氢脆(HE)的问题，研究人员通过调控预应变温度(室温/80°C)和应变水平(5-15%)，系统研究了变形诱导微观结构对HE敏感性的影响。发现室温预应变5-10%可使HE敏感性降低31-34%，而80°C预应变15%时降低32%，其机制与几何必需位错(GNDs)网络形成强氢陷阱有关。该研究为海洋工程材料抗氢脆设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构向低碳化转型，海底天然气等资源开发需求激增，但严苛的海洋环境对装备材料提出极高要求。双相不锈钢(DSS)因其优异的耐腐蚀性和应力腐蚀开裂抗力成为首选材料，然而阴极保护过程中析出的氢原子会引发氢脆(HE)问题——这种材料在氢环境下的突然脆性断裂可能导致灾难性事故。更复杂的是，DSS中铁素体与奥氏体两相对氢的溶解、扩散及HE抗性存在显著差异，传统改性方法往往顾此失彼。如何通过绿色高效的工艺调控微观结构，实现DSS抗氢脆性能的协同提升，成为海洋工程材料领域的重大挑战。

国家自然科学基金资助项目的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的最新研究中，创新性地采用温度-应变双变量调控策略，通过室温与80°C下的梯度预应变处理(5-15%)，结合慢应变速率拉伸(5×10^?6 s^?1)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等先进表征技术，系统揭示了预应变诱导微观结构演变与HE敏感性的构效关系。研究选用商业2205热轧板经冷轧退火制备试样，通过原位充氢实验定量评估HE指数，并采用氢显微印迹技术追踪氢分布特征。

微观结构调控规律
预应变处理在铁素体相中形成几何必需位错(GNDs)网络，在奥氏体相中产生变形孪晶。室温预应变5-10%时，密集的GNDs网络成为强氢陷阱，使HE敏感性降低31-34%；但当应变增至15%，奥氏体中大量变形孪晶和滑移带反而促进氢致裂纹扩展，HE抗性提升幅度降至15%。80°C预应变呈现相反趋势：5-10%应变时HE敏感性仅降低10%，而15%应变时因高温抑制了有害孪晶形成，GNDs主导机制使HE抗性提升达32%。

性能突破
80°C预应变5-10%的试样在充氢条件下展现出与退火态相当的强度-塑性积，但屈服强度提高超40%。这种"鱼与熊掌兼得"的效应源于GNDs网络既强化材料又有效捕获氢原子，将裂纹尖端的临界氢浓度降低60%以上。相比之下，传统冷变形虽能提高强度，但往往以牺牲HE抗性为代价。

机制创新
研究首次阐明温度依赖的竞争机制：室温下奥氏体变形孪晶与铁素体GNDs存在此消彼长关系，而适度升温处理可打破这种制约。氢热脱附实验证实，80°C预应变形成的位错结构具有更高的氢陷阱结合能(达28.5 kJ/mol)，比常规位错陷阱效率提升3倍。

这项研究为海洋工程装备用DSS的氢脆防控提供了全新工艺窗口，提出的"温度-应变协同调控"策略突破了传统冷变形工艺的局限性。特别值得注意的是，80°C预应变15%的工艺方案在工业化生产中具有显著优势——该温度区间与常规热成型工艺兼容，且无需复杂设备改造即可实现。研究揭示的GNDs网络氢陷阱机制，为发展新一代抗氢脆材料提供了理论基石，对深海油气开采、海底管线等重大工程的安全设计具有重要指导意义。