冷轧对超奥氏体904L不锈钢强度与氢脆易感性竞争效应研究：小冲试验方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：Competing effects of cold rolling on strength and hydrogen embrittlement susceptibility in superaustenitic 904L stainless steel: A small punch test approach

　　

•冷轧提高了稳定型 AISI 904L 的强度，且未诱发马氏体。
•与强度相比，氢对塑性和断裂能的影响更为显著。
•在 20–30% 的冷轧压下率之后，氢脆现象变得显著。
•在较低的冲头位移速率下，氢致退化程度加剧。
•小冲头试验有效地评估了强度与耐氢性之间的权衡。

引言
向低碳能源系统的转型加强了对氢作为战略载能体的兴趣。氢可以通过水电解从可再生能源中生产，随后用于不同的工业和能源应用中的储存、运输和使用。其高的质量能量密度使其对于大规模储能和难以直接电气化的领域特别具有吸引力。然而，其在环境条件下的低体积能量密度要求以高压、低温或固态或液态载体的形式进行储存和运输。在这些选项中，压缩气态氢目前是工业应用、管道、加注基础设施和承压组件的首选方案。

氢技术的安全实施需要结构材料能够在氢环境中承受机械载荷同时保持其完整性。在此背景下，主要关切是氢脆，这是一种氢摄取、扩散和捕获会降低塑性、断裂韧性和疲劳性能的退化现象 [1, 2, 3]。这种现象在高强度钢中尤为关键，因为在惰性环境中被认为安全的应力水平下可能会发生氢助裂 [4]。因此，了解不同金属材料对氢暴露的反应对于设计和鉴定用于氢服务的组件至关重要。

奥氏体不锈钢是广泛用于含氢装置组件的材料。这归功于其面心立方结构，氢扩散率比铁素体钢低几个数量级，并且通常比铁素体或马氏体钢具有更好的抗氢脆性 [4, 5, 6]。然而，其相对较低的屈服强度通常要求高压应用中使用更厚的壁厚，这增加了材料消耗、制造成本和结构重量。因此，在保持其耐氢性的同时提高奥氏体不锈钢的强度是开发经济可行的氢基础设施的一个重要目标。

冷加工是通过应变硬化提高奥氏体不锈钢强度最有效的途径之一。然而，在亚稳态奥氏体钢种中，包括一些 304 和 316 系列钢，塑性变形可能会促进应变诱发马氏体（SIM）。SIM 的存在可能会改变氢传输并可能增加对氢致退化的敏感性 [7, 8, 9]。因此，使用冷变形作为强化策略需要考虑强度的增加和变形过程中引入的可能微观结构变化。

在这方面，AISI 904L 尤为值得关注，因为其高镍含量提供了高度稳定的奥氏体基体，并且形成应变诱发马氏体的倾向极低，即使在经历大量冷变形后也是如此 [10]。这并不意味着 904L 通常优于 316L 等常规钢种用于氢服务。相反，其高奥氏体稳定性使其成为研究冷加工强化对氢敏感性的影响而不使应变诱发马氏体成为额外变量的有用材料。

尽管具有这种潜力，冷轧对 904L 不锈钢氢致退化的影响仍相对较少探索。冷变形增加位错密度，改变晶界和亚晶界结构并促进应变分布的不均匀性。这些微观结构变化可能会影响氢保留和损伤萌生。因此，即使没有显著的应变诱发马氏体，冷加工超奥氏体钢也可能表现出氢敏感性的变化。

预充氢奥氏体不锈钢的机械表征在实验上也具有挑战性，因为其氢扩散率低。在常规试样中达到氢饱和需要长的充电时间，并且必须最小化样品制备和机械测试过程中的氢损失。微型测试技术提供了重要优势 [11]，小冲头试验（SPT）使用薄试样（0.5 毫米厚度），使其能够以最小的材料体积估算机械性能。这种减薄的厚度便于氢充电，减少了所需的氢气体 [1,2] 或电解质 [3] 量，使该技术特别适合评估氢对低扩散合金的影响。

SPT 已被广泛用于估算拉伸性能、与塑性相关的参数和断裂阻力，通过与传统机械试验的经验或半经验关联 [11, 12, 13]。此外，它越来越多地应用于氢脆研究，既包括预先充电样品离位测试 [14]，也包括在试验过程中在气体或电化学条件下原位引入氢 [2,3]。SPT 载荷 - 位移曲线提供了几个特征参数，包括弹塑性转变载荷、最大载荷、最大载荷处的位移、吸收能量和等效双轴断裂应变。这些参数可用于通过氢脆指数量化氢致退化，并确定机械响应的哪些方面最受氢影响。

之前对相同冷轧 904L 条件的研究使用常规拉伸和断裂韧性试验研究了氢捕获和机械响应 [15]。本工作是互补的，专门研究了 SPT 对氢致退化的敏感性。特别关注冲头位移率的影响以及不同 SPT 参数在区分不同冷轧条件响应方面的敏感性。

本研究利用 SPT 调查了冷轧对超奥氏体 AISI 904L 不锈钢机械行为和氢致退化的影响。分析了四种材料状态：退火参考状态和压下率分别为 10%、20% 和 30% 的冷轧状态。通过 EBSD、EDS 和 XRD 表征了冷轧诱导的微观结构演化，并通过常规试验和 SPT 评估了机械响应。通过高温高压纯氢气预充电引入氢，预充电样品在不同冲头位移速率下进行离位测试，以评估速率相关的脆化。

本研究的主要目标是评估冷轧对 AISI 904L 不锈钢在氢预充电前后的 SPT 响应的影响，并确定强化与耐氢性之间的平衡如何随冷轧压下率增加而演变。特别关注强度、塑性和与能量相关的 SPT 参数的敏感性，以及调查的冷轧条件之间观察到的氢敏感性的显著变化。结果还提供了 SPT 作为比较微型技术对所调查 AISI 904L 条件适用性的评估。

章节片段

材料与冷轧条件
本研究调查的材料是超奥氏体 AISI 904L 不锈钢，也称为 EN 1.4539 [16]。其化学成分见表 1，其中化学元素以 wt.% 表示。该合金的特点是 Ni、Cr 和 Mo 含量高，提供高奥氏体稳定性和良好的耐腐蚀性。
表 1 还显示了镍当量，Nieq，变形诱发马氏体相变温度，Md30，和堆垛层错能

微观结构演化
退火和轧制 904L 系列的反极图（IPF）地图显示在图 2 中。在退火等级中可以观察到具有随机晶体学取向分布的规则奥氏体多边形晶粒（图 2a）。随着冷轧压下率的增加（图 2b、c、d），EBSD 地图揭示了奥氏体晶粒的逐渐扭曲，伴随着孪生结构的形成。这些特征在较高变形水平下变得更加明显，反映了

SPT 捕捉冷轧诱导的机械演化的能力
本工作获得的结果表明，SPT 能够捕捉超奥氏体 AISI 904L 不锈钢冷轧诱导的主要机械变化。弹塑性转变参数 Fe/h02 的逐渐增加反映了冷变形产生的屈服强度增加。同样，Fi/h02 和 Fm/(h0·vm) 的增加遵循常规拉伸试验中观察到的强化趋势。相反，vm/h0、εqf 和 ESP/h02 的减少

结论
在本工作中，使用小冲头试验研究了冷轧对超奥氏体 AISI 904L 不锈钢机械行为和氢致退化的影响。分析了四种材料状态：退火参考状态和压下率分别为 10%、20% 和 30% 的冷轧状态。通过高温高压气态预充电引入氢，预充电样品在不同冲头

CRediT 作者贡献声明
S. Sampayo：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，验证，调查，正式分析，数据整理。S. Otero：方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。G. álvarez：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，验证，监督，软件，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。L.B. Peral：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，验证，监督，方法论，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本论文报告的工作。

致谢
作者衷心感谢西班牙科学、创新和大学部通过研究项目 PID2021-124768OB-C22 和 PID2024-15917OB-C21 提供的财政支持。此支持包括授予 Sabela Sampayo（PREP2024-003329）和 Sara Otero（PRE2022-103206）的 FPI 补助。此外，资金由 SEKUENS 局通过项目 SEK-25-GRU-GIC-24-016 提供。作者还感谢大学的科学技术服务

S. Sampayo|S. Otero|G. álvarez|L.B. Peral|R. González-Martínez|C. Rodríguez