高强钢的氢脆机理和抗氢脆设计研究

Lots of the studies show that the higher the strength of the steels, the higher the hydrogen embrittlement sensitivity is. The hydrogen embrittlement of the high strength steels has become one of the bottleneck problems for their large-scale engineering application. This proposal will use the electrostatic force microscopy technique developed in recent years and the multiscale simulation methods of hydrogen embrittlement to study the hydrogen concentration and distribution in vicinity of the loaded crack tip, and the hydrogen diffusion and accumulation of hydrogen in the grain boundary. The results of this study will reveal the physical insight of the mechanism of the hydrogen embrittlement of the high strength steels, and the relationship between the hydrogen induced intergranular crack and grain boundary structure. Furthermore, in light of the basic idea of materials genome initiative, we will explore the alloy elements which can be used to 1) decrease the adsorption energy of the hydrogen atoms on the steel surfaces, and increase the diffusion barrier energy of hydrogen atom from the surface to the subsurface of the steels; 2) increase the strength of the steel grain boundaries and reduce the hydrogen atom accumulation in grain boundary; 3) be as the nanoscale hydrogen traps to reduce the concentration of the diffusivity hydrogen atom in the steels using the multiscale simulation of hydrogen embrittlement. The findings of this study will open new paths to design of hydrogen embrittlement-resistant high strength steels.

大量研究表明，钢的强度越高氢脆敏感性越高，氢脆已经成为高强钢大规模工程应用的瓶颈问题之一。本申请将利用近年来发展起来的测量微区氢浓度及其分布的静电力显微镜技术，结合氢脆的多尺度模拟，研究裂尖氢浓度及其分布，以及氢沿晶界扩散和富集与晶界结构的关系，弄清钢的强度越高，氢脆敏感性越高的物理本质，以及氢致沿晶开裂与晶界结构的关系。在此基础上，利用材料基因组的基本理念，采用第一原理计算和多尺度模拟探寻可以在高强钢表面富集，并能降低氢的表面吸附能和升高氢由表面向次表面扩散能垒的合金元素，抑制氢扩散进入高强钢；探寻可以增强高强钢晶界强度并抑制氢在晶界富集的合金元素，增加高强钢抗氢致沿晶开裂的能力；以及可以作为纳米级氢陷阱的元素和化合物，为高强钢的抗氢脆成分设计提供思路。

（1）高强钢晶界抗氢脆设计的第一原理计算. 大量的实验表明高强钢的氢脆裂纹均是沿晶萌生和扩展。合金元素在晶界的偏析可以改变晶界强度，抑制氢原子在晶界的偏析，增加晶界的抗氢脆能力。利用第一原理计算了B、C、Al、Si、P、S、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Nb、Mo和W等元素，以及氢和合金元素共同在晶界偏析对sigema3 晶界界强度的影响。结果表明：B，C，Mo和W元素在晶界的偏析可以有效地减少氢原子在晶界的富集量，降低晶界的氢脆敏感性，可用于高强钢晶界的抗氢脆设计。.（2）高强钢阻氢表面的合金化设计. 氢原子通过表面过程进入材料内部导致氢脆。如果通过添加合金元素降低氢原子的表面吸附，提高氢原子扩散进入材料内部的能垒，则可有效地阻止氢的进入，抑制氢脆的发生。利用第一原理计算发现，与纯Fe表面相比，Cu、Ni、S和Al掺杂后表面渗透能垒更低，渗透速率常数更高，H原子的渗透速率会更快； W、Nb、Mo、Ti、Co、Mn、Cr、V和C掺杂后表面具有较小的表面渗透速率常数和较高的表面渗透能垒，同时Mn、Cr和V掺杂后H原子的吸附稳定性和表面覆盖率减小，抑制H表面渗透；W、Nb、Mo、Ti、Co和C掺杂后表面吸附稳定性和覆盖率升高，形成较强的表面H陷阱，抑制H的扩散和表面渗透。.（3）高强高韧抗氢脆13Cr奥氏体不锈钢的设计与研发. 13Cr马氏体不锈钢广泛用于含H2S和CO2油井管，它的强度和抗氢脆性能一直是在深井中应用的瓶颈。通过异质结构增强、TRIP效应增韧、奥氏体化抗氢脆设计，在13Cr马氏体不锈钢的基础上，通过增加Mn，以及优化的冷加工和热处理工艺，研发出了13Cr奥氏体不锈钢，强度满足125级油井管的需求，抗氢脆性能相对于13Cr马氏体增加40%。

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