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引文格式：
Álvarez G, Arniella V, Belzunce F J, et al. Study of the influence of current density and displacement rate on hydrogen embrittlement using small punch tests[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2023, 125: 103838.
Álvarez, G., et al. "Study of the influence of current density and displacement rate on hydrogen embrittlement using small punch tests." Theoretical and Applied Fracture Mechanics 125 (2023): 103838.
Álvarez, G., Arniella, V., Belzunce, F. J., & Rodríguez, C. (2023). Study of the influence of current density and displacement rate on hydrogen embrittlement using small punch tests. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 125, 103838.
背景简介
氢作为能源载体的重要性现已得到科学界和公众的广泛认可。为了减少大气中的二氧化碳排放并减缓气候变化的影响，正在积极开发氢能技术。42CrMo4钢因其高抗疲劳性、良好的强度和韧性而成为制造压力容器和输送氢气管道的合适材料之一。对于充氢环境下评估材料的机械性能，需要使用特定的设备和程序。不同的研究工作使用不同标准测试，例如拉伸测试、慢应变速率测试、断裂韧性和抗裂纹扩展疲劳测试。这些测试技术是常用的，因为它们在标准条件下广泛用于材料的机械表征。但是，这些测试需要大尺寸的样本，如果没有足够的材料，就很难表征特定的成分和结构。针对这些情况，微型测试技术在过去几十年中得到了广泛发展。
本文采用电化学充氢条件下的小冲杆试验(SPT)方法分析了42CrMo4钢的氢脆（HE）敏感性。使用两种不同的电流密度(0.5 mA/cm2和1 mA/cm2)进行电化学充电，以产生不同的氢气边界条件和氢气浓度，类似于实际工业条件。SPT试验在不同的位移速率下进行，获得不同的局部氢浓度。本文还评估了原位SPT力学试验前不同的预充氢时间对SPT力学性能的影响。
成果介绍
（1） 图1为42CrMo4钢的显微组织，它是回火马氏体组织，在回火阶段碳化物析出。当回火温度相对较高(700 ℃)时，淬火阶段引起内应力松弛，碳化物析出并生长，以达到准球状的均匀分布(见图1(a))。大多数晶体取向情况如图1(b)所示。
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图1 热处理42CrMo4钢的SEM-EBSD图：(a) SEM；(b) EBSD
（2） 图2为在SPT标准试验速率(0.20 mm/min)下进行预充氢(15 min)和未预充氢时得到的载荷-冲头位移曲线，并与在空气中测试 (未充氢)时获得的载荷-冲头位移曲线进行了对比。在未预充氢条件下，即使在0.20 mm/min的标准速率下，最大载荷Pm和冲头位移dm也会降低，从而导致断裂能WSPT也会降低。当施加最大阴极电流密度为1.00 mA/cm2时，这种脆化会加剧。施加的阴极电流密度越大，试样表面的氢浓度越大，因此脆性增加。相反，预充氢不会影响脆性，预充和未预充氢时获得的SPT参数相似。
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图2 在空气中、未预充氢和预充氢的SPT曲线：(a) 0.50 mA/cm2，(b) 1.00 mA/cm2(冲头位移率为0.20 mm/min)
（3）图3显示了在阴极电流密度为0.50 mA/cm2(图3(a))和1.00 mA/cm2(图3(b))下，采用不同位移率的未预充氢试验获得的SPT曲线。考虑到预充氢不影响在这些试验中观察到的力学行为，因此，该分析是在预充氢的情况下进行的。冲头位移率在0.001到0.26 mm/min之间变化。从图3可以看出，无论施加的阴极电流密度如何，随着位移速率的减小，最大载荷Pm和最大载荷下冲头位移dm的值也随之减小。因此，SPT断裂能WSPT也随之减小。比较两种阴极电流密度可以看出，虽然在最低位移率下，氢脆几乎未受影响，但在较大的阴极电流密度下，氢脆略有增加。
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图3 (a) 0.50 mA/cm2和(b) 1.00 mA/cm2电流密度下的SPT曲线
（4）未预充氢试样在0.50 mA/cm2和1.0 mA/cm2阴极电流密度和不同位移速率下测试的失效试样的横截面（上图）和俯视图（下图）如图4和5所示。随着施加位移率的降低和阴极电流密度的增加，试样的变形明显减小，失效区厚度(tf)也明显减小。另外随着位移率的降低和阴极电流密度的增加，失效区(φ)的直径也在减小。试样破坏区域出现径向裂纹也预示着氢脆。随着试验速率的降低或阴极电流密度的增大，试样表面出现更多的径向裂纹。
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图4 0.5 mA/cm2电流密度下测试样品的原位SPT失效图
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图5 1.0 mA/cm2电流密度下测试样品的原位SPT失效图
（5）SPT参数量化了不同测试条件下对氢脆的敏感性。图6给出了利用SPT断裂能(HEIWSPT)、等效双轴变形(HEIεqf)和失效时直径(HEIφ)得到的氢脆指标和冲头位移速率的关系。
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图6 (a) 依据断裂能，(b) 等效双轴变形，(c) 失效时直径计算的氢脆指标HEI和冲头位移速率的关系
（6） 图7是在1.00 mA/cm2的阴极密度电流和0.02 mm/min的位移速率下进行未预充氢试验获得的。从图中可以看出，在与电解质接触的试样下表面上产生了许多裂纹，这些二次裂纹对应局部氢累积，由于在SPT试验期间最大应力的区域位置的变化，它们的位置也发生了变化。在这种情况下，临界裂纹在与主应力方向成大约 45°的整个试样厚度范围内开始扩展。这是一种延性机制（在最大剪切应力下）。然而，裂纹最终会偏离这个方向，最终发生了垂直于主应力平面的脆性断裂。
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图7 未预充氢SPT失效样品，阴极密度电流为1 mA/cm2，位移速率为0.02 mm/min
本文通讯作者：Arniella V（SIMUMECAMAT Research Group, Polytechnic Engineering School, University of Oviedo, Gijón 33203, Spain）。
本期小编：王家兴（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
闵 琳（发布）
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