背景简介

氢能是构建低碳能源系统的关键载体，但氢与结构钢相互作用引起的氢脆（HE）仍是制约氢能安全利用的重大挑战。氢脆会降低钢的延展性、韧性和疲劳/断裂抗力，危及结构完整性和服役安全，其严重程度取决于钢的强度等级、微观组织以及氢与微观组织的交互作用（氢的进入、扩散、捕获和裂纹尖端过程）。传统氢脆研究主要采用拉伸、断裂和疲劳试验，并结合气态氢或电化学充氢来研究氢的影响，但由于测试协议、氢进入途径和暴露条件差异较大，跨研究对比往往困难。近年来，小冲杆测试（SPT）已成为一种成熟的微型化测试技术，尤其适用于材料可用量有限的情况（如焊接接头、服役提取部件、热影响区、涂层等）。基于此，本研究利用原位电化学充氢小冲杆测试，对涵盖五种微观组织家族（奥氏体、铁素体、铁素体-珠光体、双相和回火马氏体）的17种钢进行氢脆敏感性评估，以建立基于SPT指标的快速筛选方法。

成果介绍

（1）设计了SPT测试装置与试验策略。图1a展示了SPT装置的整体布局，包括安装在MTS试验机上的夹具、COD引伸计以及用于原位电化学充氢的反转配置（模具在上、冲头在下）。在该反转配置中，模具同时充当电解液容器，确保电解液在机械加载过程中持续与试样的拉伸侧保持接触，从而促进氢向损伤演化区域的渗入。图1b示意性地标出了从载荷-位移曲线中提取的特征参数：屈服相关参数Py/t02、强度相关参数Fi/t02或Pm/(dm·t0)、延性指标dm/t0、以及断裂应变和断裂能量指标εqf和Wm/t02。此外，所有组件均采用陶瓷（Al2O3）制造以确保氢仅在金属试样表面产生。

图1小冲杆试验: (a) 实验装置；(b) 在空气中测试的延性钢（实线）与同时引入氢气条件下测试的延性钢（虚线）的典型载荷-位移曲线，以及用于计算等效双轴应变所需的最终厚度测量值（ε_qf=ln(t₀/t_f)）。

（2）研究定义了两种氢辅助断裂机制并提出了分离程序。图2展示了四种代表性材料（AISI 430、R5、CrMoV-WM、CrMo550）在空气和含氢环境下的载荷-位移曲线对比。研究发现两种不同的氢辅助断裂机制：机制1（曲线后期分离，保留分离后硬化能力）：以AISI 430和R5为代表，含氢曲线在Zone III（塑性行为）后才偏离空气曲线，试样在断裂前仍能维持显著的塑性变形，因此标准SPT描述符（Pm、dm、Wm）仍然物理有效。机制2（曲线早期分离，过早开裂且残余曲线近乎平坦）：以CrMoV-WM和CrMo550为代表，含氢曲线在弹塑性过渡期即迅速偏离空气曲线，此后曲线斜率大幅降低甚至变为负值。图3的截面SEM观察证实，在机制2中，裂纹在接近塑性开始时就已萌生并快速扩展，随后试样的载荷响应由冲头-裂纹接触和摩擦主导而非材料本征行为。为此，研究提出了分离程序：定义分离位移δsep为含氢曲线偏离空气曲线的位移点，仅在此区间内提取修正参数Pm、dm和Wm*，以确保物理一致性。

图2 展示两种不同断裂行为的原位氢载荷SPT测试结果：(a) AISI 430；(b) R5：模式1（曲线分离较晚）；(c) CrMoV-WM；(d) CrMo550：模式2（曲线分离较早）。实线表示空气环境；虚线表示含氢环境（氯化钠含量3.5 wt%，电流密度0.5 mA/cm²，流速v=0.02 mm/min）。图中展示了中断测试后拉伸侧表面形貌。

（3）比较了酸性电解液与盐性电解液对氢脆指标的影响。图3展示了三种SPT指标（dm/t0、εqf、Wm/t02）对应的氢脆指数（HEI）在酸性和盐性介质下的对比。结果显示：dm/t0参数的点大多分布在等分线附近，表明位移基延性损失受电解液成分影响较小；εqf参数在两种电解液间差异有限；Wm/t02参数则有更多点偏离等分线，表明能量基指标对电解液依赖的氢进入效率更为敏感。图4以CrMoV-WM为例的断口形貌显示，空气中断口呈韧性微孔聚集特征，而含氢断口呈解理和沿晶断裂特征，且在酸性和盐性介质中断口形貌非常相似。研究推荐使用3.5 wt% NaCl盐性电解液作为常规筛选介质，因其在保持可比结果的同时更安全、易于实验室操作。

图3 电解质对HEI影响的比较。平行线图展示了使用酸性电解质与盐性电解液测得的三种SPT指标HEI值：(a) d_m/t₀; (b) ε_qf; (c) W_m/t₀²。实线为平分线，每个数据点代表至少三次测试的平均值；误差条表示±1个标准差

图4 对CrMoV-WM钢进行的SPT断裂面形貌：(a，d) 空气环境；(b，e) 酸性介质；(c，f) 盐水介质。氢气充入（b、c）会导致周向断裂半径减小并出现明显的径向裂纹，其失效微观机制也从空气环境下的微孔主导型断裂转变为氢气环境下的裂隙扩展及晶界间断裂特征。在相同条件下，酸性和盐水介质中均观察到类似的断裂形态

（4）建立了氢脆敏感性与屈服强度和微观组织之间的关系。图5汇总了17种钢在盐性介质下的HEI值（基于dm/t0、εqf和Wm/t02三个指标）随屈服强度σYS的变化，并按微观组织分组。清晰的微观组织排序显现：奥氏体不锈钢的HEI最低，归因于FCC结构中缓慢的氢传输和较高的延展性与断裂韧性；铁素体和铁素体-珠光体钢具有中等HEI，反映了BCC晶格中较快的氢传输以及微观组织依赖的开裂机制；双相钢的HEI介于中间，尽管其σYS相对较高，但两相在氢环境下行为迥异；回火马氏体钢的HEI最高，其高强度、高密度的潜在氢陷阱和界面促进了早期裂纹萌生和显著的延性/韧性损失。表1列出了所有钢在两种电解液下的具体HEI值，对不同微观组织钢的氢脆敏感性差异进行了定量比较。

图5 盐性电解液条件下HEI随屈服强度σ_YS 的变化：(a) d_m/t₀、(b) ε_qf 以及(c) W_m/t₀²。对于机制2材料，d_m/t₀和W_m/t₀²的氢含量值是根据提取至 δ_sep 阶段的分离参数计算得出。每个数据点均代表至少三次测试结果的平均值

表1 分析钢材相对于不同SPT参数的HEI值

（5）确定了最优SPT分类参数并进行了微观组织特定解释。在评估的三个SPT指标中，能量基指标Wm/t02对不同微观组织类型表现出最清晰的区分能力和最一致的单调变化趋势，这是因为该指标综合反映了承载能力与变形演化过程。相比之下，dm/t0主要捕捉位移基延性损失，但对高HEI钢的区分能力较低；εqf则提供了互补信息且不受断裂后效应影响。图5进一步显示，虽然HEI总体上随σYS增加而增加，但强度本身不能完全解释氢脆响应：具有相近σYS的材料可能因微观组织、氢传输特性和损伤机制的不同而具有不同的HEI。例如，回火马氏体钢中，较低回火温度的CrMoV-WM表现出远高于CrMoV-BM的HEI；奥氏体钢中，常规316L因应变诱发马氏体转变而具有比增材制造AM 316L更高的HEI。这些结果表明，氢脆敏感性的评价不能仅依据强度水平，还应结合具体微观组织类型进行分析。

致谢

作者感谢欧盟地平线2020研究和创新计划下的EURATOM项目INNUMAT（资助协议号：101061241）所提供的资金支持。作者还感谢SCK CEN、UCLouvain、CENIM-CSIC、MINES Saint-Etienne、CEA、ENEA和Alleima EMEA AB等合作机构的技术支持和资源贡献。本文第一作者和通讯作者：S. Otero（University of Oviedo）。

本期小编：郭子键 （整理）

罗凌颖 （校对）

刘昊东 （审核）

董乃健 （发布）