超高强度马氏体钢中的氢相关断裂：带缺口和预裂纹试样中应力集中的作用

《Engineering Fracture Mechanics》：Hydrogen-related fracture in ultrahigh-strength martensitic steel: role of stress concentration in notched and precracked specimens

　　

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  对不同缺陷几何形状下的氢相关断裂进行了对比分析。
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  带缺口试样表现出混合晶间断裂和剪切带主导的断裂模式。
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  预制裂纹试样表现出裂纹尖端控制的晶间/穿晶断裂模式。
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  裂纹扩展促进了由脆性向延性断裂的转变。

引言

交通运输部门脱碳努力的推进增加了对轻量化车身结构的需求。在不牺牲碰撞安全性的前提下实现减重，需要兼具低密度和卓越强度的材料。在众多材料中，先进高强钢（AHSS），尤其是双相钢（DP）和马氏体钢（MS），已成为现代汽车不可或缺的结构性组件。随着MS-AHSS的抗拉强度不断提升，其遭受氢脆（HE）的脆弱性成为一个关键问题，因为氢会显著降低其力学性能[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。

MS-AHSS具有分层马氏体微观结构，由片层、块体、晶包和原奥氏体晶界（PAGBs）组成[10]。氢相关断裂通常表现为晶间（IG）或穿晶（TG）开裂。晶间开裂倾向于沿PAGBs起始和扩展，因为氢的偏聚降低了晶界结合力[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。相比之下，穿晶断裂通常表现为与{011}晶面平行的准解理面，反映了马氏体亚结构中片层或块体界面处的开裂[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。尽管已有大量研究记录了晶间和穿晶特征，但控制氢相关断裂起始和演化的微观结构因素与应力相关因素仍然知之甚少。

大多数先前的研究采用慢应变率试验（SSRT）在带缺口拉伸或弯曲试样上研究氢诱发断裂[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。这些研究已证实，在充氢条件下晶间断裂往往占主导地位，其发生与缺口根部前方的最大主应力和氢浓度相关。此外，缺口几何形状的变化已被证明会显著影响应力三轴度、塑性约束和应力驱动的氢富集，从而导致不同的表观氢脆敏感性，即使材料相同也是如此[31]，[32]。尽管已有这些努力，但在不同应力集中条件下晶间和穿晶机制之间的相互作用仍未得到充分探索。

在工程部件中，失效很少从理想化的缺口处起始。相反，制造缺陷和服役损伤，如夹杂物、孔洞、磨损痕迹和腐蚀坑，充当类裂纹缺陷，在其尖端产生强烈的局部应力和应变梯度[31]，[32]，[33]。这些裂纹尖端场与缺口根部应力状态有本质区别，可能由于局部应力梯度、氢再分布和局部塑性的综合影响，导致比相对钝缺口更严重的氢助断裂响应[34]。然而，能够更接近这类服役缺陷的预制裂纹试样，在SSRT研究中受到的关注有限，特别是对于超过1500 MPa的超高强度马氏体钢。

值得注意的是，SSRT主要是为了在受控的慢应变率条件下评估氢脆敏感性而设计的，而不是为了重现实际服役载荷历程。因此，标准化测试规程，如ASTM G142[35]，规定了特定的试样几何形状和测试程序，以确保氢脆敏感性评估的一致性。尽管如此，最近的研究表明，SSRT在测试过程中可能涉及亚临界裂纹扩展和演化中的断裂过程，特别是在存在强应力集中器的情况下[36]。因此，SSRT中观察到的断裂机制在带缺口和预制裂纹几何形状之间可能存在差异，这两种几何形状预计会产生不同的局部力学条件，使得仅考虑带缺口试样时，氢效应的解释变得复杂。

从这个角度来看，对预制裂纹试样进行SSRT并非旨在直接重现服役断裂行为，而是为了在代表定性不同的裂纹尖端主导和缺口根部主导条件的预制裂纹和带缺口构型中比较氢相关断裂的演化。尽管各种几何形状的带缺口试样SSRT已有广泛报道[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[37]，[38]，但预制裂纹几何形状、氢助断裂形态和裂纹扩展过程中微观结构相互作用之间的关系仍未得到充分探索。带缺口和预制裂纹几何形状之间缺乏系统的对比，代表了目前对超高强度马氏体钢中氢脆认知中的一个关键空白。

为应对这些问题，本研究调查了氢如何影响2 GPa马氏体钢中带缺口和预制裂纹拉伸试样的裂纹扩展。SSRT与详细的扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析相结合，将断裂行为与局部微观结构特征相关联。本工作的核心贡献是在充氢条件下对带缺口和预制裂纹构型进行了系统的实验对比，重点关注其几何依赖性断裂形态、裂纹演化和局部变形。随后，在涉及局部应力集中、应力助氢再分布和氢-微观结构相互作用的既定断裂力学和氢脆框架内，对所观察到的差异进行定性地解释。这种方法为超高强度MS-AHSS中的氢相关断裂提供了实验洞察，同时区分了直接观察到的断裂行为与定性的机理解释。

章节摘要

材料与方法

采用由JIS-SCM435圆棒（直径：50 mm）制成的2 GPa马氏体钢板来考察氢脆敏感性。名义化学成分列于表1。使用电火花加工（EDM）从圆棒上加工出矩形坯料（50 mm × 20 mm × 2 mm）。坯料在900 °C下奥氏体化30分钟，水淬以获得完全马氏体结构，然后在200 °C下回火30分钟。一个典型的片层马氏体微观结构在

结果

对带双缺口和预制裂纹试样进行SSRT，分别进行充氢和未充氢试验。尽管这些试样几何形状对称，但大量研究报告指出裂纹起始和扩展通常仅发生在其中一个缺口处。Samadian等人[39]采用数字图像相关技术和弹塑性有限元分析证明，即使在理想对称条件下，两个缺口之间的相互作用也会导致更高的

带缺口试样中的裂纹扩展

在带缺口的试样中，断口表面由中心平坦区域和外围剪切区域组成，与试样厚度方向上不同水平的力学约束一致。与未充氢试样相比，充氢导致平坦区域更宽、剪切区域更窄。这种形态转变与名义断裂应力从2276 MPa大幅降低到1854 MPa的同步出现（图3），同时晶间断裂的贡献增加

结论

本研究对充氢条件下带缺口和预制裂纹的2 GPa马氏体钢试样进行了系统的实验对比，重点关注几何依赖性断裂行为及其定性的机理解释。基于慢应变率拉伸试验和详细的SEM-EBSD分析，可以得出以下主要结论。

首先，2 GPa马氏体钢在充氢条件下表现出名义断裂应力的显著降低。名义

CRediT作者贡献声明

Thanh Thuong Huynh：撰写——原始草稿，可视化，调查研究，数据整理，概念构思。Yoshimasa Takahashi：撰写——审阅与编辑，验证，概念构思。Shigeru Hamada：撰写——审阅与编辑，指导监督，资源提供。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

T.T. Huynh获得日本日本学生支援机构（JASSO）2024财年的资助。EBSD分析在日本九州大学先进仪器分析中心完成。作者衷心感谢日本东北大学越山元道教授富有洞察力的讨论、宝贵的科学建议以及促进本研究开展的建设性意见。

Thanh Thuong Huynh|Yoshimasa Takahashi|Shigeru Hamada