北航郭伟教授团队《Corrosion Science》：第三代先进高强钢激光焊接接头氢脆机理研讨

  车用先进高强钢在锻炼、热处理、焊接以及执役过程中，氢会不可避免的进入到先进高强钢内部，导致其发生氢脆并严峻恶化力学功能。先进高强钢的氢脆灵敏性跟着资料强度等级的添加而显着进步，关于抗拉强度超越1000MPa的先进高强钢，其内部少数的氢浓度便会诱发氢致裂纹，发生氢脆开裂。第三代车用先进高强钢QP980的微观安排为马氏体、铁素体以及剩余奥氏体，其成分杂乱。激光焊接过程中，各微区的微观安排和力学功能发生剧烈改变，因而氢可能会影响QP980激光焊接接头力学功能，从而需求体系而深化地探求氢对接头力学功能的恶化程度并提醒其氢脆开裂机理，为下降接头氢脆灵敏性供给基础理论支撑，进步车体安全功能。

  基于此，北京航空航天大学机械工程及自动化学院郭伟教授团队经过电化学充氢实验以及慢应变速率拉伸实验体系评价了氢原子对QP980激光焊接接头力学功能的影响，选用双方缺口实验结合EBSD实验剖析了接头试样在慢应变速率拉伸实验中氢致裂纹扩展途径并提醒了QP980激光焊接接头氢脆机理。依据成果得出：接头试样对氢非常灵敏，当电化学充氢电流密度为5mA/cm2，充氢时刻为5min时，抗拉强度氢脆灵敏因子IHE(UTS)为17.3%，开裂总延伸率氢脆灵敏因子IHE(TEL)高达84.7%，而且跟着电化学充氢时刻的添加，接头试样的力学功能继续下降。不完全相变区中分散氢含量高于接头其他区域，因而充氢后接头试样在不完全相变区发生脆性开裂。充氢接头试样慢应变速率拉伸实验中，在氢促进部分塑性变形（HELP）和氢下降原子间结合力（HEDE）一起效果下，氢致微裂纹萌发于马氏体内部和马氏体/铁素体晶界处；氢致裂纹在接头不完全相变区中的扩展形式为穿晶扩展和沿晶扩展的混合形式。

  图1 QP980激光焊接及电化学充氢示意图：(a)-(b) 激光焊接示意图；(c)-(e)电化学充氢示意图及试样尺度

  QP980激光焊接接头热影响区各微区因峰值温度及冷却速率的差异导致各微区的微观安排呈现差异性，热影响区由回火区、不完全相变区、细晶区和粗晶区组成。回火区中回火马氏体内部有碳化物的分出，不完全相变区中存在孪晶马氏体，细晶区和粗晶区均为全马氏体安排。

  图2 原始QP980激光焊接接头热影响区各微区微观安排：(a)-(c) 回火区及回火马氏体中碳化物；(d)-(g) 不完全相变区及孪晶马氏体；(h) 细晶区；(i)粗晶区

  电化学充氢后，接头热影响区各微区的微观安排未发生显着改变。在回火区回火马氏体中仍能调查到分出的碳化物，坐落不完全相变区的孪晶马氏体在接头充氢后仍存在。

  图3 电化学充氢后QP980激光焊接接头热影响区各微区微观安排：(a)-(c) 回火区及回火马氏体中碳化物；(d)-(g) 不完全相变区及孪晶马氏体；(h) 细晶区；(i)粗晶区

  电化学充氢仅5min时，接头试样的抗拉强度和开裂总延伸率便急剧下降，开裂总延伸率氢脆灵敏因子IHE(TEL)高达84.7%。跟着充氢时刻的添加，接头试样的抗拉强度和开裂总延伸率继续下降，可见氢的引进会严峻恶化QP980激光焊接接头力学功能，尤其是接头塑性急剧下降。

  图4 不同电化学充氢参数下QP980激光焊接接头慢应变速率拉伸实验成果：(a) 工程应力-应变曲线；(b) 力学功能散布直方图

  未充氢接头试样在慢应变速率拉伸实验开裂在母材区，微裂纹沿马氏体/铁素体界面萌发占比约为70%，断口分为剪切唇和瞬断区，在剪切唇区域调查到很多韧窝，在瞬断区调查很多撕裂脊，这表明未充氢接头试样在慢应变速率拉伸实验中的开裂形式为耐性开裂。

  图5 未充氢接头试样在慢应变速率拉伸实验中开裂方位、微裂纹萌发方位和断口描摹：(a) 开裂方位；(b)-(d) 断口邻近微裂纹萌发方位；(e) 微裂纹萌发方位计算成果；(f)-(j) 断口描摹

  接头试样充氢后，开裂方位由母材区转移到不完全相变区，微裂纹萌发于马氏体晶粒内部占比最高（约60%），而萌发于马氏体/铁素体界面占比次之（约35%），其断口主要由脆断区组成，脆断区的微观描摹为准解理。因而，QP980激光焊接接头经电化学充氢后，在慢应变速率拉伸实验中的开裂形式为脆性开裂，这与其开裂总延伸率仅为2.8%相对应。

  图6 充氢5 min接头试样慢应变速率拉伸实验中开裂方位、微裂纹萌发方位和断口描摹：(a) 开裂方位；(b)-(d) 断口邻近微裂纹萌发方位；(e) 微裂纹萌发方位计算成果；(f)-(j) 断口描摹

  图7为氢致裂纹顶级扩展途径及周围区域的晶体结构特征。原始块状晶粒内部简直无亚晶界/小视点晶界构成。氢致裂纹周围晶粒内部取向差视点均小于3°，而且块状晶粒内部未呈现亚晶界/小视点晶界等。氢致裂纹扩展形式为沿晶扩展（晶粒1和2及晶粒5和6）和穿晶扩展（晶粒1和2及晶粒5和6）。

  图7 电化学充氢20 min接头试样在慢应变速率拉伸实验中裂纹顶级周围微观安排演化：(a) 裂纹顶级描摹；(b) IQ+相图；(c) IQ+取向差视点图；(d) 反极图；(e) 图d中晶粒内部取向差视点；(f)-(g) 图d中虚线框区域反极图及晶胞图

  将氢致裂纹扩展途径及裂纹顶级扩大后调查到氢致裂纹主要为马氏体穿晶扩展，并随同少数沿马氏体与铁素体界面沿晶扩展。上述依据成果得出氢的引进不只使接头开裂方位由母材转移到不完全相变区，而且改变了接头试样裂纹扩展形式的占比，即由未充氢时裂纹主要为马氏体沿晶扩展改变为充氢后氢致裂纹主要为马氏体穿晶扩展。

  图8 电化学充氢20min接头在慢应变速率拉伸实验中裂纹扩展途径及顶级微观描摹：(a) 裂纹扩展微观描摹；(b) 裂纹微观描摹；(c) 裂纹扩展途径微观描摹；(d)-(e) 裂纹顶级描摹；(f) 裂纹顶级周围区域微裂纹/孔洞描摹

  氢致微裂纹在接头不完全相变区主要为穿过马氏体构成穿晶扩展，别的在马氏体与铁素体界面处调查到氢至微裂纹。不完全相变区中孪晶马氏体并未影响氢致微裂纹的扩展，未发现氢致微裂纹穿过孪晶马氏体构成穿晶扩展。

  图9 电化学充氢20min接头在慢应变速率拉伸实验中氢致微裂纹扩展途径及微裂纹：(a) 氢致裂纹扩展途径；(b)-(c) TEM试样；(d) 微裂纹

  马氏体内部位错密度高且多为位错缠结，在氢增强部分塑性（HELP）效果下，氢下降位错运动阻力，进步位错运动速率而且氢原子随位错移动而发生偏聚；依据氢下降原子间结合力理论（HEDE），晶粒内部氢原子的集合削弱晶粒内原子间结合力，从而加快晶粒内部氢致微裂纹的萌发与扩展，马氏体内部氢原子下降原子间结合力，促进氢致微裂纹的萌发，因而电化学充氢后接头试样变形过程中不完全相变区马氏体内部易构成氢致微裂纹，最终导致马氏体的穿晶开裂。别的，马氏体与铁素体微区力学功能存在必定的差异，接头试样变形过程中，马氏体与铁素体变形不协调使二者晶界处呈现应变会集，位错在晶界处集合，而氢原子随位错运动而运动，从而在马氏体与铁素体晶界处呈现氢原子偏聚，这种氢原子偏聚和位错的集合促进二者晶界发生剧烈的塑性变形（HELP机理）并削弱界面原子间结合力（HEDE机理），导致氢致微裂纹/微孔洞萌发于马氏体与铁素体晶界处，氢致裂纹经过不断吞并萌发于马氏体内部和马氏体与铁素体晶界处的氢致微裂纹/微孔洞而快速扩展，导致接头试样在不完全相变区脆性开裂。

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