基于微柱压缩技术的成分梯度高强钢氢脆行为高效评估策略及其优化设计

为解决高强钢氢脆(HE)评估效率低和成分优化难题，研究人员通过微柱压缩测试(MPCT)结合成分梯度设计，系统研究了Cr、V、Mo等微合金元素对氢致塑性损失的影响。发现V在0.2 wt.%时抗HE性能最佳，而Cr、Mo的抗HE性能随浓度(0-0.6 wt.%)增加持续提升。该研究为抗HE高强钢的成分设计提供了高效筛选方法，相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

　　

在汽车安全部件等领域，高强钢因其优异的强度-韧性平衡成为首选材料，但氢脆(Hydrogen Embrittlement, HE)问题如同"隐形杀手"，严重制约其安全应用。传统研究如同"盲人摸象"——通过单一变量法探究Nb、V、Ti等元素的影响，但元素间的协同效应常被忽视。更棘手的是，现有HE评估方法如慢应变速率测试(SSRT)和小冲孔试验(SPT)要么效率低下，要么难以反映材料整体性能。这种"数据孤岛"现象使得抗HE材料设计如同大海捞针。

为破解这一困局，Heng Dong团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，创新性地将扩散多元体技术与微柱压缩测试(Micro-pillar Compression Test, MPCT)联用。研究人员以商用34MnB5钢为基底，通过热等静压和1050°C长达30天的退火处理，构建了Cr、V、Mo的连续成分梯度（Cr/Mo达0.6 wt.%，V达0.5 wt.%）。借助电子探针微区分析(EPMA)和纳米压痕技术确认梯度分布后，采用聚焦离子束(FIB)制备直径5μm、长径比2:1的微柱，通过原位SEM观察氢充电前后的压缩行为，并结合扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)监测氢逸出动力学。

微观结构调控机制

电子背散射衍射(EBSD)显示所有区域均为全马氏体组织，但元素浓度梯度显著影响晶界特征：高浓度区域的低角度晶界(LAGBs)比例更高（V中浓度区>高浓度区>低浓度区），而Σ3晶界比例随浓度降低增加。透射电镜(TEM)证实Cr/V/Mo均以固溶态存在，未形成析出相，这种固溶强化通过晶格畸变阻碍氢扩散，Volta电位差(VPD)测试显示氢充电后表面电位升高304mV，60分钟后仍保持40%的氢残留。

力学性能的浓度依赖性

MPCT数据揭示氢致塑性损失呈现元素特异性：V在0.2 wt.%时氢脆指数(HEI)最低(39.9%)，0.4 wt.%时仍保持44.5%的良好塑性；而Cr/Mo的HEI随浓度增加持续降低，最优浓度分别达0.45 wt.%和0.46 wt.%。原位SEM捕捉到有趣现象：未充电微柱呈桶形塑性变形，而氢充电后低Cr/Mo浓度区域出现剪切断裂，高浓度区域则保持协调变形，这与氢增强局部塑性(HELP)机制导致的位错运动改变直接相关。

理论指导意义

该研究突破传统"试错法"局限，首次实现单样品多成分HE行为高通量评估。发现固溶态Cr/Mo通过增加LAGBs比例（Cr高浓度区达38.7%）和降低Σ3晶界（从低浓度区21%降至高浓度区13%）双重机制提升HE抗性，而V的"过犹不及"效应暗示其存在最优固溶浓度。基于扩散动力学的梯度设计方法可推广至其他合金体系，为抗氢材料研发按下"加速键"。正如作者指出："微柱压缩虽聚焦微观行为，但其揭示的HE机制与宏观失效同根同源"，这项研究为高强钢的成分设计提供了从原子尺度到工程应用的完整解决方案。