一种利用局部阴极充氢的扩孔试验评估先进高强钢剪切边氢脆敏感性的新方法

《Journal of Materials Research and Technology》：A novel approach to assess hydrogen embrittlement susceptibility in sheared edges of AHSS using hole expansion testing with localized cathodic charging

　　

高级高强钢（AHSS）易受边缘断裂和氢脆影响，尤其是当两者同时发生时。本文提出了一种新方法，通过将异位阴极充氢系统集成到扩孔试验（HET）中，用于评估剪切边的氢脆敏感性。研究人员采用DP600钢（名义厚度1.2 mm）比较冲孔（ISO 16630）和铣孔。使用0.6 mol/L NaCl水溶液和0.3 mA/cm²的电流密度，在孔边缘局部引入氢气，持续5小时。研究人员使用客观停止准则确定扩孔率（HER）。对于冲孔试样，氢使HER从31.3%（未充氢）降至12.5%（充氢），降幅约60%。断口分析表明具有氢致局部塑性（HELP）机制特征的韧性断裂。相比之下，铣孔试样未表现出氢脆敏感性，无论充氢条件如何，HER值均超过100%。微观结构分析表明，冲孔在边缘产生约0.8 mm的剪切影响区，晶粒扭曲，而铣孔未产生显著变形或硬度变化。该方法有效捕捉了氢辅助的边缘损伤，为评估制造工艺如何影响AHSS的氢脆敏感性提供了实用工具。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
先进高强钢（AHSS）因其优异的强度-塑性平衡，广泛应用于汽车轻量化领域，但面临两个关键问题：剪切边断裂和氢脆。当两者同时发生时，会显著削弱AHSS的微观结构优势。剪切过程在边缘产生剪切影响区（SAZ），包含高密度位错、微裂纹和应力集中，这些区域成为氢的优先捕获位点。氢脆机制包括氢致局部塑性（HELP）、氢致脱粘（HEDE）等，但现有测试方法（如慢拉伸速率拉伸试验SSRT、恒载荷拉伸试验CLT）无法模拟剪切边特有的复杂应力-应变状态，也无法直接评估制造工艺对氢脆敏感性的影响。因此，亟需一种能真实反映剪切边在氢环境下成形性能的评估方法。

**研究内容与结论**
研究人员提出了一种新方法：将异位阴极充氢系统集成到扩孔试验（HET）中，用于评估剪切边氢脆敏感性。采用DP600钢（1.2 mm厚）制备冲孔（ISO 16630标准）和铣孔两种试样，在0.6 mol/L NaCl溶液和0.3 mA/cm²电流密度下局部充氢5小时，并利用位移控制停止准则（HET Assistant算法）客观确定扩孔率（HER）。结果表明：冲孔试样充氢后HER从31.3%降至12.5%（降幅约60%），断口呈现HELP机制特征的韧性断裂（浅而细的韧窝和定向撕裂）；铣孔试样HER均超过100%，无氢脆迹象。微观结构分析显示，冲孔在边缘产生约0.8 mm的SAZ，晶粒严重扭曲，硬度显著升高，而铣孔边缘无显著变形或硬度变化。该方法有效捕捉了氢辅助边缘损伤，为评估制造工艺（如冲孔与铣孔）对AHSS氢脆敏感性的影响提供了实用工具。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**关键技术方法**
1. **扩孔试验（HET）**：依据ISO 16630标准，使用圆锥冲头（60°锥角），结合位移控制停止准则（HET Assistant算法）客观确定HER。
2. **异位阴极充氢系统**：采用专用装置将10个试样同时浸入0.6 mol/L NaCl溶液，以石墨电极为阳极，施加0.3 mA/cm²电流密度充氢5小时，实现局部边缘充氢。
3. **微观结构表征**：使用光学显微镜测量剪切角（γ）以确定SAZ范围（约0.8 mm），通过维氏显微硬度（0.98 N载荷）评估变形分布，采用共聚焦显微镜分析表面粗糙度（Ra、Rz等参数）。
4. **断口分析**：利用扫描电子显微镜（SEM）对充氢前后试样进行断口形貌分析，识别韧窝形态变化以判断氢脆机制。

**研究结果**

**3.1 扩孔试验评估DP600氢脆敏感性**
**3.1.1 冲孔试样**：通过HET Assistant算法迭代确定，未充氢冲孔试样在冲头位移9.52 mm时达到NFC=1（单条贯穿裂纹），HER=31.3%；充氢试样在位移6.38 mm时达到NFC=1，HER=12.5%，降幅约60%。SEM断口分析显示，未充氢试样呈现深、等轴、充分发展的韧窝（微孔聚集型韧性断裂），充氢试样则呈现更平坦、更定向的表面，韧窝浅而细，定向性更强，与HELP机制特征一致，表明氢促进了局部塑性流动和微孔提前聚合。

**3.1.2 铣孔试样**：无论充氢与否，铣孔试样的扩孔均达到设备极限（HER>100%），未出现任何裂纹，表明铣孔边缘无氢脆敏感性。

**4.1 制造工艺的影响**
- **剪切影响区（SAZ）**：冲孔产生约0.8 mm的SAZ，晶粒剪切角从边缘向内逐渐减小，显微硬度显著升高（从边缘约250 HV降至基体约220 HV）；铣孔边缘无硬度变化。
- **表面粗糙度**：冲孔边缘的断裂区Ra最高（3.517 μm），且具有正偏度（Rsk=+0.039），表明表面以脆性峰为特征；铣孔表面Ra=3.038 μm，负偏度（Rsk=-0.078），表明深谷结构。
- **氢捕获行为**：冲孔边缘的高位错密度和微裂纹成为氢的优先捕获位点，导致局部氢浓度升高（文献报道SAZ中浓度可达1.4 ppm vs 基体0.2 ppm），而铣孔边缘因变形小，氢捕获位点少，氢更易扩散逸出。

**4.2 HELP机制**
冲孔充氢试样的断口特征（浅而细、定向韧窝）与HELP机制一致：氢通过屏蔽位错应力场提高位错迁移率，促进裂纹尖端局部塑性流变，加速微孔聚合，导致宏观塑性降低。同时，氢致应变诱导空位（HESIV）机制可能共存，但实验上难以区分。

**4.3 方法比较**
与SSRT、CLT、U-bend试验等方法相比，该方法直接评估实际剪切边的成形性能损失，HER为工业可量化参数，且位移控制停止准则减少主观性，更接近制造和服役工况（如大气腐蚀、电泳涂装等缓慢氢侵入）。

**讨论与结论总结**
讨论部分强调了制造工艺（冲孔 vs 铣孔）对氢脆敏感性的双重影响：冲孔造成的SAZ和表面粗糙度增加了氢捕获位点，而铣孔边缘无变形区，因此抗氢脆性能优异。结论部分翻译如下：

1) 将局部阴极充氢与扩孔试验结合，并采用客观位移控制停止准则，是量化剪切边氢辅助降解的有效实用工具，克服了传统拉伸试验的局限，提升了可重复性。
2) 断口分析表明，冲孔DP600钢的氢致损伤主要通过HELP机制发生，表现为从深等轴韧窝向浅细定向韧窝的转变；HESIV机制可能也有所贡献，但实验区分困难。
3) 剪切边制造工艺同时影响切割机械损伤和材料的氢脆敏感性：冲孔试样因大SAZ和高位错密度表现出显著氢捕获和脆化，而铣孔试样在测试条件下未断裂，凸显了优化切割方法或采用替代边缘制备技术以减少AHSS部件氢辅助边缘断裂的必要性。

总之，该方法为实验室条件下评估剪切边氢辅助损伤提供了工业相关框架，可测试不同AHSS等级、充氢条件和切割参数，支持轻量化汽车结构的可靠性提升。