《Engineering Fracture Mechanics》：The influence of gradient difference in microstructure on hydrogen embrittlement susceptibility of extra-thick Q690DR steel plate
编辑推荐：
氢脆敏感性与氢渗透行为在Q690DR厚板厚度方向存在梯度差异。研究显示，表层（Subsurface）因带状组织与晶粒细化不充分，氢脆敏感性最高；1/4T区域因均匀细晶结构表现出最佳抗氢脆性能；1/2T区域因较粗大晶粒和更多次生裂纹，抗氢脆性能次之。结论指出热机械控制加工（TMCP）引起的带状组织和晶粒尺寸梯度变化是氢脆敏感性的关键因素。
Jinrong Wu|Kaiyu Zhang|Xin Liu|Wanliang Zhang|Kehan Wu|Chengshuang Zhou|Jinyang Zheng|Lin Zhang
浙江工业大学材料成形与控制工程学院，中国杭州310014
摘要
为了研究90毫米超厚Q690DR钢板在厚度方向上的氢脆敏感性和氢渗透行为，从三个区域取样：表层、1/4厚度区域（1/4T）和1/2厚度区域（1/2T）。结果表明，每个区域的基体结构主要为回火马氏体，晶粒尺寸从表层到1/2T逐渐增大；表层区域存在不连续的带状结构。在6 MPa氢压下进行的原位氢渗透和力学测试显示，氢脆敏感性为：表层 > 1/2T > 1/4T。表层区域受到轧制变形的显著影响，晶粒沿轧制方向（RD）拉长并形成带状结构，为氢的扩散提供了快速通道，使得氢更容易渗透到材料内部，从而导致断裂时形成细长的裂纹。因此，该区域的氢脆敏感性最高。1/2T区域由于冷却速度较慢形成了粗大的马氏体结构，断裂时产生了大量次级裂纹。相比之下，1/4T区域具有均匀分布的回火马氏体和细小晶粒，对氢扩散的阻碍作用更强，因此具有最佳的氢脆抵抗力。总之，轧制过程中的变形程度和冷却过程中的冷却速率是导致微观结构梯度分布的关键因素，进而影响氢脆敏感性。
引言
随着全球能源需求的持续增长和对化石燃料的过度依赖，氢作为一种有前景的化石燃料替代品，正逐渐成为未来能源系统中的重要载体[1]，[2]。氢储存系统在促进可持续能源转型和减轻化石燃料造成的环境污染方面发挥着关键作用。其中，高压氢储存容器被广泛用于氢的运输和储存。然而，由于氢的密度较低，氢储存容器的材料和结构设计仍面临经济和技术挑战[3]。低合金高强度钢因其优异的强度、韧性和抗疲劳性而被广泛应用于氢能设备中。然而，这种钢材在高强度水平下对氢脆更为敏感，并且在气态氢环境中会显著加速疲劳裂纹的生长速度[4]。尽管已有大量研究讨论了微观结构对材料氢致脆化和疲劳裂纹生长的影响，但这些研究通常集中在不同材料或不同加工条件下的微观结构比较[5]，[6]。关于同一材料和工艺条件下厚钢板厚度方向上微观结构梯度变化的研究较少，而这种微观结构差异通常会对氢储存容器的使用安全产生不可逆的影响。因此，深入研究低合金高强度钢厚板的微观结构特性并系统提高其抗氢脆性能对于确保其在氢环境中的安全可靠性能至关重要[7]。
用于长距离运输氢和氢混合天然气的管道钢倾向于使用较薄的壁材以降低成本，设计壁厚通常为几毫米到几十毫米[8]。相比之下，氢加注站使用的大型氢储存压力容器中的钢板厚度可达几十毫米到几百毫米。较厚的F-P管道钢中经常出现带状结构，微观结构表现出各向异性，疲劳裂纹的生长速度随钢板方向的不同而变化。Ronevich等人[9]在带状铁素体-珠光体结构中进行了氢环境下的疲劳裂纹生长试验，发现沿带状结构的裂纹生长速度高于垂直于带状结构的裂纹生长速度。然而，这类钢材在厚度方向上的样本尺寸选择仍存在局限性[10]，且晶粒尺寸与超厚钢板相比差异较小[11]，难以显著表征微观结构的异质性。这些因素对于揭示氢环境下的疲劳裂纹生长机制具有重要意义。对于用于氢储存压力容器的超厚钢板，系统研究氢环境、带状结构、晶粒尺寸和晶界共同作用下不同位置疲劳裂纹生长速率的演变规律，可以为超厚钢板的结构优化和抗氢脆设计提供重要的理论基础。
在压力容器钢的生产中，通常采用热机械控制加工（TMCP）等先进制备工艺。为了获得更高的强度和更均匀的微观结构，通常结合淬火、回火和正火等热处理工艺来调节微观结构[12]。对于生产超厚钢板（>60毫米），热处理过程中的冷却速率尤为重要。冷却速率对合金钢微观结构的影响体现在晶粒尺寸和微观结构的变化上。随着冷却速率的提高，材料的屈服强度、抗拉强度和硬度均有所提高，这主要是由于晶粒细化带来的强化效应[13]。此外，带状结构的形成与轧制变形和热处理过程中的冷却过程密切相关。由于不同微观结构组分和带状结构的各向异性，它们对机械性能有显著影响[14]。研究发现，热处理过程中的温度是影响强度和韧性的关键因素。通过优化淬火温度和回火温度，可以获得具有良好机械性能的钢材[15]。高强度钢的厚钢板在不同位置的厚度方向上表现出带状结构和晶粒尺寸的变化。这些微观差异归因于制造过程中的变形和加热不均匀性，这是不可避免的。这种微观结构的梯度变化对疲劳裂纹扩展、氢扩散和氢脆敏感性有重要影响。
在相同的微观结构下，晶粒尺寸的细化增加了晶界数量，从而增加了氢陷阱的数量。Zhang等人[16]通过多阶段热处理获得了不同尺寸的回火马氏体，并通过氢渗透试验分析了晶粒细化对氢扩散系数和氢陷阱数量的影响。氢原子的直径非常小，它可以穿过高厚度钢的表面到达材料中心，从而导致脆化。因此，钢的氢扩散行为是影响氢脆的重要方面之一[17]。晶界是阻碍位错移动的主要原因之一，而晶粒尺寸决定了晶界的数量。因此，晶粒尺寸可以作为评估高强度钢氢脆敏感性的指标[18]，[19]，[20]，[21]。带状结构对高强度钢氢脆敏感性的影响体现在氢在材料中的扩散行为和氢诱导裂纹上。Lee和Chen[22]研究了铁素体-珠光体带状结构的各向异性对氢扩散的影响，结果表明，当氢沿垂直于带状结构的方向进入时，试样的氢扩散系数明显低于沿轧制方向（RD）和横向（TD）的方向。Zha等人[23]通过测量X65无缝管内外壁的氢扩散和捕获情况，解释了微观结构异质性对氢脆行为的影响。Li等人[24]通过慢应变率拉伸试验评估了带状结构对淬火和回火钢氢脆敏感性的影响。结果表明，带状结构中的较高位错密度吸附了大量氢原子，使得微裂纹更容易形成，增加了材料的氢脆敏感性。
本研究的目的是探讨90毫米氢储存压力容器钢板厚度方向上微观结构变化对氢扩散和氢脆敏感性的影响。采用光学显微镜（OM）和电子背散射衍射（EBSD）对测试钢的微观结构进行了表征。通过气相氢渗透试验获得了氢渗透曲线，揭示了材料中的氢扩散行为。在氮气和氢气环境下进行了慢应变率拉伸（SSRT）和疲劳裂纹生长（FCG）试验，以评估机械性能中的氢脆敏感性，并使用扫描电子显微镜（SEM）分析了断裂表面的断裂形态。
材料与试样制备
本研究使用了厚度为90毫米的Q690DR级氢储存压力容器钢板作为实验材料。其详细的化学成分如表1所示。Q690DR钢采用了低碳、低磷、低硫的Ni-Cr-Mo成分体系。加工流程如下：首先通过连续铸造和热轧工艺制备，然后在900℃下进行2小时的奥氏体化处理，随后水冷并在650℃下进行4小时的处理
微观结构
图3展示了Q690DR钢在表层、1/4T和1/2T位置沿厚度方向（ND）的光学微观结构。基体主要由回火马氏体组成。1/4T和1/2T位置的微观结构均匀且形态相似，而表层区域除了回火马氏体外，还表现出沿轧制方向的不连续带状结构。为了量化微观结构的差异
微观结构对氢扩散的影响
图7中的气相氢渗透试验结果表明，与1/4T和1/2T区域的曲线相比，随着晶粒尺寸的减小，晶界总长度增加，材料对氢扩散的阻力变得更加明显，这与许多研究结果一致[5]，[34]。这种晶粒梯度变化是由于热机械控制加工（TMCP）通过控制轧制温度和变形量实现的
结论
本研究聚焦于90毫米超厚Q690DR钢板，研究了不同厚度方向位置的氢扩散行为和氢脆敏感性。主要结论如下：
由于1/4T和1/2T区域的晶粒尺寸和低角度晶界（LAGBs）与高角度晶界（HAGBs）的比例相似，它们的氢扩散系数相对较小。然而，在表层区域，由于带状结构的存在
作者贡献声明
Jinrong Wu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，研究，数据整理。Kaiyu Zhang：方法论，研究。Xin Liu：撰写 – 审稿与编辑，研究。Wanliang Zhang：研究。Kehan Wu：研究。Chengshuang Zhou：研究，资金获取。Jinyang Zheng：资金获取。Lin Zhang：监督，资源协调，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFB4003000）、浙江省 Jianbing 研发项目（2025C01153, 2022C01014）、国家自然科学基金（52171081, 52471098）和浙江省自然科学基金（LD25E010001）的支持。
术语表
FCG疲劳裂纹生长HAGBs高角度晶界LAGBs低角度晶界ND法向PAGBs原始奥氏体晶界RD轧制方向SSRT慢应变率拉伸TD横向TMCP热机械控制加工UTS抗拉强度YS屈服强度IHE氢脆指数 | tb | 断裂时间 |
