一種高鋁奧氏體不銹鋼對(duì)于氫的應(yīng)用的發(fā)展過(guò)程

1、 一種高高鋁奧氏氏體不銹銹鋼對(duì)于于氫的應(yīng)應(yīng)用的發(fā)發(fā)展過(guò)程程文章信息息：文章歷史史： 20122年111月5日日 收到到20133年2月月11日日 收到到修改稿稿 20133年2月月25日日 接收收20133年4月月4日 可在在線共享享20133年版權(quán)權(quán),氫能能源出版版物、LLLC。由愛(ài)思思唯爾出出版有限限公司出出版，所所有解釋釋權(quán)歸我我方所有有。 摘要：一種新新型高鋁鋁奧氏體體不銹鋼鋼已經(jīng)在在實(shí)驗(yàn)室室中產(chǎn)生生，其目目的是發(fā)發(fā)展一種種對(duì)于氫氫環(huán)境脆脆化有高高抵制力力的精密密合金化化材料。氫環(huán)境境脆化的的磁化率率是通過(guò)過(guò)純氫氣氣的壓力力為40 MPaa、溫度為-50的慢應(yīng)變變速率的的拉伸測(cè)測(cè)試來(lái)評(píng)

2、評(píng)估的。在這種種條件下,屈服強(qiáng)強(qiáng)度、抗抗拉強(qiáng)度度和斷裂裂伸長(zhǎng)在在與空氣中中的同伴測(cè)測(cè)試相比比不受氫氫的影響響。此外外,在高高壓和低低溫的氫環(huán)境境中，非常常高的氫氫的延展展性表現(xiàn)為為70%的斷面面收縮率率。合金的的精益程程度反映映在材料料的無(wú)鉬鉬特點(diǎn)和和鎳含量量為8.00%。關(guān)關(guān)于合金金的概念念,高碳碳、高錳錳、高鋁鋁含量的的結(jié)合使合合金在抵抵抗應(yīng)變變馬氏體體的形成成上有一個(gè)個(gè)極高的的穩(wěn)定性性。這方方面可以以通過(guò)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)磁測(cè)測(cè)量和其其它x射射線衍射射研究。這種新新型合金金性能總總指標(biāo)可可以參考考已經(jīng)在在生產(chǎn)的的3044L和3316LL奧氏體體不銹鋼鋼。保持持完全奧奧氏體結(jié)結(jié)構(gòu)的性能已經(jīng)在拉拉伸試驗(yàn)

3、驗(yàn)被確定定為氫環(huán)環(huán)境脆化化的一個(gè)個(gè)關(guān)鍵因因素。 關(guān)鍵鍵詞：高鋁奧奧氏體不不銹鋼，氫環(huán)境境，脆化化，奧氏氏體穩(wěn)定定性， 形變誘誘發(fā)馬氏氏體 ，合金發(fā)發(fā)展1. 前前言在移動(dòng)和和固定應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域使用氫氫發(fā)電通通常被認(rèn)認(rèn)為是一一個(gè)非常常有前途途的替代代可再生生能源和和無(wú)碳能能源之一一。然而而,開(kāi)發(fā)發(fā)的氫能能源受保保證氫安安全操作作的一些些材料高高成本的的限制。在這方方面,大大多數(shù)金金屬材料料受到他他們機(jī)械械性能和和接觸任任何氫源源延性的的惡化，這種現(xiàn)現(xiàn)象被稱(chēng)稱(chēng)為氫脆脆1。因此此,當(dāng)前前氫的應(yīng)應(yīng)用利用用高合金金奧氏體體不銹鋼鋼,如符符合美國(guó)國(guó)鋼鐵協(xié)協(xié)會(huì)的3316和和3100,它們們都表現(xiàn)現(xiàn)出較高高的抗氫

4、氫脆能力力2-7。然而,由于其其具有高高鎳和高高鉬含量量，這些些合金需需要一個(gè)個(gè)成本高高的解決決方案。因此,具有相相同屬性性但還可可降低相相關(guān)成本本的新型型鋼是需需要的。這種材材料可以以在全球球范圍內(nèi)內(nèi)支持可可持續(xù)氫氫能源發(fā)發(fā)展,這這將要求求巨大的的氫生產(chǎn)產(chǎn)、存儲(chǔ)儲(chǔ)、分配配、和最最終用途途的基礎(chǔ)礎(chǔ)設(shè)施。幾十年來(lái)來(lái)，相對(duì)對(duì)于其他他金屬材材料88-100，對(duì)對(duì)氫的應(yīng)應(yīng)用的奧奧氏體不不銹鋼由由于其更更高的性性能，其其利用已已經(jīng)獲得得了重大大的關(guān)注注。更具具體地，如果對(duì)對(duì)易感性性的氫環(huán)環(huán)境脆化化（HEEE）進(jìn)進(jìn)行評(píng)估估，前面面文獻(xiàn)與與本文都都認(rèn)為穩(wěn)穩(wěn)定奧氏氏體不銹銹鋼對(duì)HHEE 2,3,55表現(xiàn)現(xiàn)更高

5、的的阻抗。在此上上下文中中，術(shù)語(yǔ)語(yǔ)“穩(wěn)定”指的是是避免了了在一給給定溫度度下所施施加的應(yīng)應(yīng)變下和和馬氏體體形成的的性能。而馬氏氏體在HHEE11,12中扮演演一個(gè)小小角色，一個(gè)馬馬氏體的的形成總總是被不不利影響響伴隨著著。特別別是，遇遇到接受受應(yīng)變誘誘導(dǎo)-馬馬氏體轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變22-5，13-15 更高高的傾向向，就有有較高的的塑性損損失。幾幾個(gè)研究究都集中中在通過(guò)過(guò)改變間間隙和置置換元素素6,18-20的含量量來(lái)增加加奧氏體體不銹鋼鋼的穩(wěn)定定性。這這些研究究表明，增加奧奧氏體的的穩(wěn)定性性已在氫氫氣環(huán)境境中對(duì)材材料的塑塑性回應(yīng)應(yīng)產(chǎn)生有有利的影影響。這這不僅可可以解釋釋減輕形形成的應(yīng)應(yīng)變誘發(fā)發(fā)馬氏體體的

6、方位位，而且且還對(duì)奧奧氏體的的穩(wěn)定性性和材料料相應(yīng)的的堆垛層層錯(cuò)能（SFEE）的關(guān)關(guān)系進(jìn)行行了解釋釋。特別別是，通通過(guò)十字字滑移機(jī)機(jī)制代替替平面滑滑移機(jī)制制（是由由低SFFE值19,21-23推動(dòng)）。，越越來(lái)越多多的SFFE將有有利于更更均勻的的變形。以降低成成本結(jié)合合到對(duì)HHEE高高阻性的的需要已已促使最最小所需需的鎳含含量的鑒鑒定。特特別是在在修飾的的AISSI型3316不不銹鋼中中。根據(jù)據(jù)不同的的試驗(yàn)條條件119,220,224,225，發(fā)現(xiàn)其其最低值值在111.5和和13（重量量）之間間的，它它的有關(guān)關(guān)成本效效益仍然然過(guò)高。除了盡盡量減少少AISSI型3316奧奧氏體不不銹鋼中中的鎳含

7、含量的這這種策略略，在關(guān)關(guān)于精益益合金和和HEEE-耐熱熱鋼的文文獻(xiàn)中遇遇到的問(wèn)問(wèn)題解決決策略并并不是很很多。在在這方面面最早的的貢獻(xiàn)之之一由LLoutthann和卡斯斯基于119766年發(fā)表表8。他們們提出了了一個(gè)221Crr-6NNi- 9Mnn不銹鋼鋼，商業(yè)業(yè)上稱(chēng)為為NITTRONNIC 40 ，它可可以作為為一個(gè)氫氫的應(yīng)用用可能的的候選。然而，相同的的工作報(bào)報(bào)告中的的熱預(yù)充充電試樣樣在空氣氣中在室室溫下的的拉伸試試驗(yàn)之后后，約550的的延展性性相應(yīng)的的降低。在19982年年Wesst和LLoutthann277出版版了這種種合金的的更詳細(xì)細(xì)的表征征，其中中通過(guò)在在室溫下下，以-5055

8、,5.55*100-5s-1應(yīng)變變速率的的拉伸試試驗(yàn)的方方法，在在熱預(yù)充充電和未未充電的的狀態(tài)下下得到119不同同的制造造路線。不帶電電荷的試試樣在1120MMPa氫氫氣退火火條件下下的拉伸伸試驗(yàn)，根據(jù)面面積的減減小值，導(dǎo)致約約30的延展展性的損損失。作作者總結(jié)結(jié)出“這個(gè)奧奧氏體不不銹鋼是是在晶界界、滑帶帶和其他他接口容容易致開(kāi)開(kāi)裂”277。最最近由NNibuur等進(jìn)進(jìn)行的一一個(gè)關(guān)于于彈塑性性斷裂力力學(xué)的研研究211-6-9中展展現(xiàn)出了了顯著減減少的裂裂韌性和和熱預(yù)充充電標(biāo)本本288耐龜龜裂增長(zhǎng)長(zhǎng)性。正正如作者者詳細(xì)的的研究討討論，高高濃度的的氫可以以修改221-66-9不不銹鋼的的斷裂機(jī)機(jī)制

9、。此此外，考考慮到由由于沒(méi)有有應(yīng)變誘誘發(fā)馬氏氏體相變變，氫輔輔助的斷斷裂可通通過(guò)促進(jìn)進(jìn)變形28,29的局部部化的變變形機(jī)制制手段解解釋。Loutthann和Caaskeey文獻(xiàn)獻(xiàn)8也介紹紹了另一一種氫應(yīng)應(yīng)用候選選的合金金是222Cr-13NNi-55Mn鋼鋼。這種種材料具具有非常常矚目的的特性，因?yàn)樗Y(jié)合了了對(duì)阻止止誘變馬馬氏體的的形成的的高穩(wěn)定定性、由由于施氮氮高強(qiáng)度度和在氫氫預(yù)充電電狀態(tài)30高的斷斷裂韌性性的高穩(wěn)穩(wěn)定性。這種合合金的氫氫應(yīng)用的的唯一的的缺點(diǎn)可可能是由由較高的的鎳含量量帶來(lái)的的成本限限制。在在這種情情況下，在-550 進(jìn)行的的10MMPa的的氫氣氣氣氛慢應(yīng)應(yīng)變速率率拉伸試試

10、驗(yàn)331證證明由錳錳換鎳和和氮素添添加是不不成功的的。具體體地，盡盡管轉(zhuǎn)化化成應(yīng)變變誘導(dǎo)馬馬氏體材材料的比比例可以以忽略，但是該該材料的的延性反反應(yīng)嚴(yán)重重減少。這種脆脆性行為為主要是是由于氮氮在促進(jìn)進(jìn)短程有有序的作作用和因因此產(chǎn)生生的較高高平面滑滑移變形形311-344中的的程度。本研究的的目的是是設(shè)計(jì)一一個(gè)精益益合金和和HEEE性?shī)W氏氏體不銹銹鋼作為為在室溫溫和零度度以下且且高壓下下氫應(yīng)用用的潛在在候選者者。這種種新型合合金通過(guò)過(guò)高壓氫氫氣慢應(yīng)應(yīng)變速率率拉伸試試驗(yàn)方法法經(jīng)驗(yàn)開(kāi)開(kāi)發(fā)并且且合格。已經(jīng)知知道HEEE敏感感性的溫溫度和應(yīng)應(yīng)變速率率( 55、133、255，355-399)的依依賴(lài)性,

11、開(kāi)發(fā)材材料和參參考合金金(3004 LL、3116 LL)可以以在-550，5.55*100-5 ss-1和40 MPaa的純氫氫氣進(jìn)行行測(cè)試,這是對(duì)對(duì)HEEE的最大大敏感性性的條件件。2. 試試驗(yàn)情況況2.1 合金化化概念 關(guān)于新新型材料料作出的的第一個(gè)個(gè)步驟是是采用精精益合金金化的奧奧氏體不不銹鋼的的標(biāo)稱(chēng)成成分，例例如：AAISII3044型，這這是開(kāi)發(fā)發(fā)合金的的基礎(chǔ)。該步驟驟依賴(lài)于于奧氏體體不銹鋼鋼比鐵素素體鋼4,66,8-10表現(xiàn)得得對(duì)氫脆脆更高的的抵抗力力的總趨趨勢(shì)。以以下三個(gè)個(gè)不同的的方面被被認(rèn)為是是合金化化概念的的里程碑碑：a）充分的的熱力學(xué)學(xué)穩(wěn)定性性，在工工業(yè)溶解解的退火火溫度

12、下下確保完完全奧氏氏體相，b）足以以抵抗應(yīng)應(yīng)變誘導(dǎo)導(dǎo)-奧氏氏體形成成的穩(wěn)定定性，以以及c）相對(duì)較較高的SSFE。一個(gè)淬淬火后奧奧氏體組組織要求求在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)退火溫溫度下提提供一個(gè)個(gè)廣泛的的奧氏體體相場(chǎng),這也可可以通過(guò)過(guò)工業(yè)加加工。第第二步是是避免應(yīng)應(yīng)變馬氏氏體轉(zhuǎn)變變，這被被認(rèn)為是是在合金金開(kāi)發(fā)過(guò)過(guò)程一個(gè)個(gè)強(qiáng)制性性的一步步。眾所所周知,一個(gè)完完全穩(wěn)定定的材料料并不能能保證對(duì)對(duì)HEEE的高阻阻抗115，331，440, 但是是在亞穩(wěn)穩(wěn)合金5，113-115，226中中，對(duì)HHEE無(wú)無(wú)抵抗力力也是可可能的。第三方方面,具具有相對(duì)對(duì)較高的的SFEE是增加加合金的的穩(wěn)定性性的必要要特性。具體地地說(shuō),通通過(guò)抑

13、制制平面滑滑動(dòng)119,222,228，441，高SFFE預(yù)計(jì)計(jì)將引起起更多的的均勻變變形。由由于這個(gè)個(gè)原因,進(jìn)行均均勻變形形的可能能性是在在氫輔斷斷裂中抵抵消氫的的影響的的一個(gè)至至關(guān)重要要的因素素,它包包括變形形的局部部化229，336，442-446。在這項(xiàng)工工作中，并且為為了滿足足上述要要求，與與其相關(guān)關(guān)五個(gè)元元素被確確定為所所述合金金的主要要組成部部分，即即：碳，錳，鉻鉻，鎳和和鋁。然然后，用用滿足熱熱力學(xué)計(jì)計(jì)算的方方法（相相圖計(jì)算算方法47-49）定義義表1中中關(guān)鍵成成分。分分別元素素錳、鎳鎳、鋁的的添加把把新的合合金被確確定為“10-8-22.5”。2.2.1. 合金金元素的的作用從

14、表1中中可以看看出，110-88-2.5鋼是是一種高高碳合金金鋼。其其目的是是最大限限度地提提高碳含含量，因因?yàn)樗鼘?duì)對(duì)在第22.1節(jié)節(jié)中提到到的三個(gè)個(gè)方面有有利。即即，它不不僅奧氏氏體在固固溶退火火溫度50的熱力力學(xué)穩(wěn)定定性，而而且增加加了對(duì)形形成的機(jī)機(jī)械穩(wěn)定定性。從從在MDD30溫溫度表達(dá)達(dá)公式（1）中中碳的貢貢獻(xiàn)則可可以推導(dǎo)導(dǎo)出最后后一個(gè)方方面。這這個(gè)公式式可以估估算出使使50的奧氏氏體轉(zhuǎn)變變轉(zhuǎn)變?yōu)闉轳R氏體體511產(chǎn)生生30的真實(shí)實(shí)應(yīng)變時(shí)時(shí)的溫度度。因此此，MDD30溫溫度值越越低，應(yīng)應(yīng)變誘導(dǎo)導(dǎo)相變成成的合金金越穩(wěn)定定。另外外，添加加碳也可可以增加加的材料料522,533的超超臨界流流體萃

15、取取。在鉻鉻的合金金化的情情況下，增加其其含量會(huì)會(huì)增強(qiáng)對(duì)對(duì)抗（公公式（11）形形成的穩(wěn)穩(wěn)定性，但同時(shí)時(shí)也將降降低鋼 500的SSFE和和熱力學(xué)學(xué)穩(wěn)定性性的 ffcc范范圍。因因此，鉻鉻對(duì)奧氏氏體不銹銹鋼的SSFE產(chǎn)產(chǎn)生了一一個(gè)很大大的不利利影響 522,544 。因此此，其含含量降低低到重量量“允許的的最小”水平113。這個(gè)量量在這里里不進(jìn)行行評(píng)估，它應(yīng)與與足夠的的耐腐蝕蝕性和在在溶解退退火溫度度下“最小”鐵素體體穩(wěn)定化化的作用用結(jié)合。作為合合金元素素的的使使用以增增加材料料的超臨臨界流體體萃取的的目標(biāo)基基礎(chǔ)。鋁鋁是在此此性能方方面有強(qiáng)強(qiáng)大而積積極的影影響555,556。錳的合合金化有有兩個(gè)積

16、積極的貢貢獻(xiàn)：首首先，它它提供了了在固溶溶退火溫溫度550下下面心立立方相的的熱力學(xué)學(xué)穩(wěn)定性性，其次次，它增增加了合合金抵抗抗馬氏體體轉(zhuǎn)變（公式（1）的穩(wěn)定定性。然然而，加加入的錳錳也有消消極的方方面：它它降低了了在奧氏氏體不銹銹鋼552,554的的SFEE。因此此，更重重要的是是由于錳錳在形成成和面心心立方相相的熱力力學(xué)穩(wěn)定定性的影影響。因因此， 10%的錳添添加到鐵鐵素體的的穩(wěn)定化化效果相相當(dāng)于鉻鉻和鋁的的添加到到鐵素體體的穩(wěn)定定化效果果。最后后，考慮慮到成本本效率，鎳含量量要保持持在AIISI 型3004L不不銹鋼，即8 （重重量）的的水平，并且合合金化處處理沒(méi)有有鉬。即即，提供供的熱力

17、力學(xué)穩(wěn)定定性 50 ，的的形成（公式（1）的機(jī)械械穩(wěn)定性性，并提提高了SSFE 522,533,577 。2.2. 合金金的生產(chǎn)產(chǎn)和測(cè)試試2.2.1.生生產(chǎn) 合金110-88-2.5是在在實(shí)驗(yàn)室室中用真真空感應(yīng)應(yīng)爐冶煉煉鑄錠產(chǎn)產(chǎn)生的。3公斤斤的重量量和直徑徑50毫毫米鑄坯坯預(yù)加工工到422毫米，再經(jīng)過(guò)過(guò)幾次熱熱加工到到最終直直徑166毫米，隨后水水淬。在在文獻(xiàn)58中，長(zhǎng)長(zhǎng)度300毫米和和直徑55mm的的六個(gè)拉拉伸試樣樣通過(guò)濕濕法車(chē)削削方法從從鍛造棒棒材中心心被加工工出來(lái)。隨后，把試樣樣在工業(yè)業(yè)真空爐爐在10050 熱處理理30分分鐘，其次是是在2000 kkPa壓壓力的氬氬氣中淬淬火。最最后一

18、步步是要在在氫氣58測(cè)試期期間對(duì)材材料的性性能的避避免車(chē)削削操作不不良的影影響。經(jīng)經(jīng)過(guò)熱處處理后，把合金金10-8-22.5兩兩個(gè)拉伸伸試樣上上，手工工拋光到到1微米米，減少少幾何變變形。所所有四個(gè)個(gè)試樣（2個(gè)研研磨拋光光和2無(wú)無(wú)研磨拋拋光）進(jìn)進(jìn)行氫試試驗(yàn)，其其余兩個(gè)個(gè)作為參參考在空空氣氣氛氛中進(jìn)行行。參考材料料是奧氏氏體不銹銹鋼AIISI3304LL型和3316LL的德意意志EDDELSSTAHHLWEERKEE（DEEW，德德國(guó)）提提供的半半成品。拉伸試試樣被加加工成一一個(gè)直徑徑30毫毫米的棒棒料中心心，并且且以相同同批次的的合金110-88-2.5的試試樣進(jìn)行行熱處理理。表11為參考考材

19、料拉拉伸試樣樣化學(xué)成成分的測(cè)測(cè)量結(jié)果果。在這這三個(gè)研研究的合合金在上上述的生生產(chǎn)路線線引起了了的平均均晶粒尺尺寸（AASTMM粒度號(hào)號(hào)G6.00）。2.2.2. 測(cè)試三種材料料在-550在空氣氣和純氫氫氣（999.999999 HH2）下進(jìn)進(jìn)行了拉拉伸試驗(yàn)驗(yàn)?？諝鈿庵械脑囋嚇釉诃h(huán)環(huán)境壓力力下測(cè)試試，在測(cè)測(cè)試的試試樣壓力力40MMPa。在氫氣氣氣氛中中測(cè)試，將容器器在1MMPa下下用純氮氮?dú)馇逑聪慈?。其次用用純氫氣氣?MMPa連連續(xù)8清清洗 ，然后將將容器填填充至試試驗(yàn)壓力力。此程程序可確確保安全全性和氣氣體純度度。根據(jù)據(jù)ASTTM GG1299標(biāo)準(zhǔn)39，在空空氣和氫氫氣的測(cè)測(cè)試中， 使用用

20、5.55 *110- 5s-1的初初始應(yīng)變變率。在在氫試驗(yàn)驗(yàn)的情況況下，使使用在所所有情況況下的內(nèi)內(nèi)部載荷荷傳感器器測(cè)得負(fù)負(fù)載。在在空氣/氫氣環(huán)環(huán)境下使使用卡規(guī)規(guī)/伸長(zhǎng)長(zhǎng)測(cè)量計(jì)計(jì)，以確確保的00.2彈性極極限應(yīng)力力?？蓽y(cè)測(cè)得的性性能有屈屈服強(qiáng)度度（Rpp0.22） ，極限抗抗拉強(qiáng)度度（Rmm）和延延伸到破破裂（AA）。此此外，用用數(shù)碼卡卡尺測(cè)量量試樣的的初始和和最終直直徑的縮縮頸圍可可得到（Z）中中的減少少值。這這個(gè)Z的的參數(shù)是是金屬材材料對(duì)HHEE的的易感性性的一個(gè)個(gè)非常敏敏感的測(cè)測(cè)量55,155,211 。2.3. 特性性描述2.3.1. 顯微結(jié)結(jié)構(gòu)和斷斷裂面在拉伸試試樣螺紋紋部分的的縱切

21、面面用金剛剛石研磨磨膏研磨磨和拋光光到1毫毫米，進(jìn)進(jìn)行金相相準(zhǔn)備。然后用用V2AA溶液（1000ml H2O，加加入1000mll HCCl，將將10mml HHNO33），以以顯示樣樣品的微微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)。通過(guò)過(guò)光學(xué)顯顯微鏡觀觀察蝕刻刻的樣品品，而用用LEOO15330-VVP掃描描電子顯顯微鏡（SEMM）的裝裝置通過(guò)過(guò)能量色色散X射射線譜（EDSS），把把拋光條條件下的的樣品用用于非金金屬夾雜雜物的鑒鑒定。用VHXX-6000D數(shù)數(shù)字式顯顯微鏡（Keyyencce GGmbHH，德國(guó)國(guó)）可以以得到在在宏觀尺尺度上斷斷裂面和和頸縮區(qū)區(qū)域的初初始表征征。數(shù)字字圖像是是采用RRZ-220透鏡鏡和一個(gè)

22、個(gè)50倍倍的倍率率光濾波波器，在在所試驗(yàn)驗(yàn)的條件件下得到到的.在在獲得斷斷裂的宏宏觀圖像像后，將將斷裂面面經(jīng)由二二次電子子與SEEM對(duì)比比研究。2.3.2.奧奧氏體穩(wěn)穩(wěn)定性隨后就地地使用FFERIITSCCOPEEMP330設(shè)備備（Heelmuut FFisccherr GmmbH，德國(guó)）磁感應(yīng)應(yīng)法得到到拉伸試試驗(yàn)過(guò)程程中馬氏氏體的形形成。由由于前期期的研究究已經(jīng)表表明，負(fù)負(fù)載狀態(tài)態(tài)影響了了材料的的磁性反反應(yīng)。，在-550空氣氛氛圍下進(jìn)進(jìn)行這種種類(lèi)型的的測(cè)量。使用11.7的的修正系系數(shù)559把把表示鐵鐵素體等等效物的的儀器讀讀數(shù)轉(zhuǎn)換換成馬氏氏體的質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)。對(duì)空氣和和氫氣的的測(cè)試樣樣品的剩剩

23、余部分分通過(guò)XX射線衍衍射（XXRD）裝置進(jìn)進(jìn)行主體體材料中中形變誘誘發(fā)馬氏氏體的形形成的第第二個(gè)測(cè)測(cè)定?？v縱向切片片金相制制備出前前標(biāo)距長(zhǎng)長(zhǎng)度。然然后從斷斷裂面和和距長(zhǎng)度度的開(kāi)頭頭之間中中間點(diǎn)使使用XPPERTT-MPPD衍射射儀在（62o-1655o）2的范圍圍內(nèi)Crr-K輻輻射獲得得衍射圖圖案。把把所得到到的圖案案與由成成田等發(fā)發(fā)表的3304型型不銹鋼鋼中和馬氏體體用的數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行行比較60。結(jié)果3.1.熱力學(xué)學(xué)穩(wěn)定性性 在表表1中合合金100-8-2.55的計(jì)量量化學(xué)成成分，用用于計(jì)算算相應(yīng)的的相位圖圖。其中中把03364-59116軟件件THEERMOOCALLC SS 661在在與熱

24、力力學(xué)數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)TCCFe66.2 622結(jié)合合使用。所得到到的圖如如圖1 ，其中中虛線示示出了相相應(yīng)碳的的等值線線?？梢砸钥闯?，合金110-88-2.5呈現(xiàn)現(xiàn)了一種種主要的的鐵素體體凝固。此外，在碳含含量和溫溫度范圍圍的寬奧奧氏體領(lǐng)領(lǐng)域表示示出充分分的熱力力學(xué)穩(wěn)定定性。從從而通過(guò)過(guò)溶液退退火處理理，接著著進(jìn)行快快速冷卻卻的方法法可以獲獲得完全全奧氏體體組織。特別是是，可在在涵蓋了了標(biāo)準(zhǔn)的的工業(yè)實(shí)實(shí)踐的110500和11150范圍之之間進(jìn)行行處理該該材料。同樣，熱力學(xué)學(xué)計(jì)算表表明，穩(wěn)穩(wěn)定的氮氮化鋁（AlNN）已經(jīng)經(jīng)在熔體體中形成成。因?yàn)闉檫@個(gè)階階段的發(fā)發(fā)生是由由于殘留留的氮含含量（總總是存在在于

25、有一一定規(guī)模模的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室生產(chǎn)產(chǎn)） ，所用的的材料的的微觀結(jié)結(jié)構(gòu)與AAlN體體積分?jǐn)?shù)數(shù)有小的的關(guān)系或或者不相相關(guān)。3.2.顯微組組織和力力學(xué)性能能測(cè)試在測(cè)試前前，由于于第2.2節(jié)中中所描述述的生產(chǎn)產(chǎn)過(guò)程的的一個(gè)結(jié)結(jié)果，所所有的試試樣表現(xiàn)現(xiàn)出典型型的奧氏氏體組織織。3種種合金分分別在-50大氣壓壓力下的的空氣中中和在440MPPa的氫氫氣氣氛氛中進(jìn)行行拉伸測(cè)測(cè)試，如如在2.2.22節(jié)中描描述。圖圖3中為為兩種氣氣壓下的的示例性性的拉伸伸曲線，其中從從拉伸曲曲線的表表象可以以推斷所所研究的的材料中中的第一一差異。觀察到到AISSI型3304LL不銹鋼鋼有一個(gè)個(gè)顯著的的應(yīng)變硬硬化，而而3166L和11

26、0-88-2.5合金金呈現(xiàn)平平穩(wěn)和更更韌性應(yīng)應(yīng)力/應(yīng)應(yīng)變響應(yīng)應(yīng)。在這這兩種環(huán)環(huán)境中的的拉伸曲曲線的比比較表明明，受到到氫影響響的3004L鋼鋼的拉伸伸強(qiáng)度和和斷裂伸伸長(zhǎng)率嚴(yán)嚴(yán)重降低低，而3316LL和合金金10-8-22.5在在空氣和和氫有相相同表現(xiàn)現(xiàn)。此外外，合金金10-8-22.5和和所參考考的AIISI型型3166L不銹銹鋼在氫氫氣氣氛氛中有非非常類(lèi)似似的曲線線。與之前的的曲線相相關(guān)聯(lián)的的拉伸性性能的值值和的計(jì)計(jì)算一起起示于表表2中，作為在在相同的的條件下下進(jìn)行兩兩次試驗(yàn)驗(yàn)的平均均值。還還包括手手工打磨磨合金110-88-2.5的試試樣的平平均值額額外的部部分。列列于表22的結(jié)果果表明，

27、在任何何情況下下拉伸試試驗(yàn)中的的外部氫氫氣不影影響屈服服強(qiáng)度。另一方方面顯示示3166L和合合金100-8-2.55對(duì)氫的的存在下下引起的的拉伸強(qiáng)強(qiáng)度和斷斷裂伸長(zhǎng)長(zhǎng)率沒(méi)有有不利影影響。兩兩種情況況下略低低的唯一一的參數(shù)數(shù)是斷面面（Z）收縮率率。在這這方面，在氣態(tài)態(tài)氫測(cè)試試的合金金10-8-22.5拋拋光試樣樣的變量量對(duì)于面面積減少少與低斷斷裂伸長(zhǎng)長(zhǎng)率有改改善。除了面積積的減小小的值，三種合合金的延延展性響響應(yīng)的直直接印象象從圖 4中所所示的為為測(cè)試試試樣的頸頸縮區(qū)域域的宏觀觀圖像獲獲得。這這一觀察察舉例證證明AIISI型型3044L不銹銹鋼的宏宏觀脆性性行為，與參考考材料3316LL和新型型合

28、金110-88-2.5的非非常高的的延展性性。在此此放大倍倍數(shù)下，在合金金10-8-22.5斷斷裂面上上能夠識(shí)識(shí)別橫向向裂紋，而在3316LL鋼上明明顯。另另一方面面，在圖圖5中所所描繪的的合金110-88-2.5的拋拋光試樣樣表明，在氫氣氣氛中沒(méi)沒(méi)有斷裂裂面橫向向裂紋，而有一一個(gè)典型型的杯錐錐體斷裂裂。3.2.1.奧奧氏體的的穩(wěn)定性性通過(guò)對(duì)三三個(gè)研究究合金的的體積測(cè)測(cè)量，得得到奧氏氏體穩(wěn)定定性的主主要特征征，旨在在檢測(cè)鐵鐵磁相的的存在。在-550空氣中中的拉伸伸試驗(yàn)過(guò)過(guò)程中用用FerritSScoppe MP330設(shè)備備測(cè)量鐵鐵素體等等效值，然后把把它改成成馬氏體體的質(zhì)量量百分比比（參見(jiàn)見(jiàn)2

29、.33.2節(jié)節(jié)）。圖圖6為所所得到的的曲線。如圖所所示，所所有的材材料從零零質(zhì)量比比、零應(yīng)應(yīng)變開(kāi)始始，這意意味著在在拉伸試試驗(yàn)開(kāi)始始時(shí)是一一個(gè)完全全奧氏體體結(jié)構(gòu)。隨著測(cè)測(cè)試的進(jìn)進(jìn)行，立立即出現(xiàn)現(xiàn)兩種傾傾向：首首先， AISSI型3304LL低穩(wěn)定定性對(duì)于于工程壓壓力高于于10%，其次次，合金金3166L和110-88-2.5的非非常穩(wěn)定定的演化化與變形形。關(guān)于于最后的的兩種材材料時(shí),的百分分比保持持在接近近零相應(yīng)應(yīng)的工程程應(yīng)變到到45。合金金10-8-22.5顯顯示出比比3166L鋼更更穩(wěn)定的的結(jié)構(gòu)，具有對(duì)對(duì)于最后后的鐵素素體等效效閱讀的的馬氏體體的1.8maass。除了磁反反應(yīng)測(cè)量量，在空空

30、氣和氫氫氣中對(duì)對(duì)試樣的的縱向面面進(jìn)行了了X-射射線衍射射分析以以說(shuō)明和和馬氏體體的形成成。如圖圖7中顯顯示的結(jié)結(jié)果給出出了相和和相的識(shí)識(shí)別，而而相沒(méi)有有任何顯顯著的貢貢獻(xiàn)。根據(jù)-反反射的強(qiáng)強(qiáng)度，合合金3004L似似乎不太太穩(wěn)定，而在3316LL鋼可以以在連續(xù)續(xù)的-反反射識(shí)別別-馬氏氏體的存存在。圖圖7還示示出了合合金100-8-2.55是三種種材料中中最穩(wěn)定定的。它它具有一一個(gè)幾乎乎完全奧奧氏體結(jié)結(jié)構(gòu)。此此外，XX-射線線衍射分分析表明明，該測(cè)測(cè)試環(huán)境境對(duì)合金金3166L和110-88-2.5中馬馬氏體的的形成沒(méi)沒(méi)有影響響。與此此相反，3044L合金金在空氣氣氣氛的的形成對(duì)對(duì)于氫更更為明顯顯。

31、這與與在空氣氣氣氛中中有更高高的變形形程度。類(lèi)似地地，對(duì)于于主體材材料中的的形成，X射線線衍射圖圖案和磁磁感應(yīng)方方法之間間有一個(gè)個(gè)非常好好的相關(guān)關(guān)性。3.3.合金3316LL和100-8-2.55斷口分分析在三個(gè)合合金上進(jìn)進(jìn)行斷口口分析，是為了了比較在在氫氣氣氣氛中斷斷裂與對(duì)對(duì)應(yīng)空氣氣中的失失敗。所所有的空空氣測(cè)試試的標(biāo)本本展出了了杯錐型型的韌窩窩斷裂。由于圖圖4清楚楚地舉例例說(shuō)明了了三種合合金在空空氣中的的斷裂的的類(lèi)型，僅在圖圖8中的的測(cè)試條條件下才才呈現(xiàn)出出合金110-88-2.5的斷斷口。該該圖中示示出了三三個(gè)區(qū)域域的二次次電子圖圖像，可可以根據(jù)據(jù)低放大大率圖像像的左上上角區(qū)域域得出。這

32、些區(qū)區(qū)域包括括中央的的頸縮區(qū)區(qū)域（11），中中間放射射帶（22），和和外剪切切唇區(qū)（3）。該選擇擇與拉伸伸斷裂發(fā)發(fā)生的三三個(gè)階段段對(duì)應(yīng)，這連續(xù)續(xù)的三個(gè)個(gè)階段是是：在11的中央央裂紋開(kāi)開(kāi)始和生生長(zhǎng)，在在2中沿沿剪切面面增殖 ，在區(qū)區(qū)域中33斷裂的的終止63-65。如圖圖8可以以看到,在區(qū)域域2，淺淺和等軸軸的凹痕痕也證明明了韌性性的增殖殖。該凹凹痕的開(kāi)開(kāi)口端朝朝向試樣樣表面的的事實(shí)表表明，斷斷裂增殖殖從中心心向外側(cè)側(cè)區(qū)域發(fā)發(fā)生，如如圖 88-365中的箭箭頭所示示。在與空氣氣的情況況對(duì)比下下，合金金10-8-22.5特特征的氫氫測(cè)試試試樣把故故障與外外區(qū)混合合起來(lái)，在斷裂裂表面的的其余部部分顯示

33、示出氫輔輔斷裂和和韌窩型型斷裂，如圖99所示。氫氣輔輔助斷裂裂的區(qū)域域確定了了在3號(hào)號(hào)，并且且在低倍倍鏡下顯顯示斜線線圖像更更明顯。氫影響響的區(qū)域域分布在在斷裂表表面的邊邊界，并并被彼此此分開(kāi)。他們約約占整個(gè)個(gè)表面的的23。表面面的其余余部分為為韌窩型型斷裂，但有兩兩種不同同的形態(tài)態(tài)。而區(qū)區(qū)域2是是小而淺淺凹坑的的相對(duì)光光滑表面面，區(qū)域域1是不不平坦的的表面，且凹部部具有等等軸和更更深的結(jié)結(jié)構(gòu)。在氫中參參考材料料的斷口口分析表表明，3304LL有與一一些晶界界破裂（此處不不列出）類(lèi)似的的晶內(nèi)解解理狀失失敗，而而3166L鋼與與合金110-88-2.5呈現(xiàn)現(xiàn)相似的的斷裂性性。后者者如圖110所示

34、示，在其其中顯微微鏡照片片的圖33表示氫氫輔助狀狀斷裂，區(qū)域11和2表表示韌窩窩型斷裂裂。氫影影響區(qū)域域?qū)?yīng)約約17的表面面。在圖111中合金金10-8-22.5的的試樣得得到了相相當(dāng)令人人印象深深刻的斷斷口分析析結(jié)果。圖9中中觀察的的的混合合失效模模式完全全改變了了三個(gè)區(qū)區(qū)域韌窩窩型斷裂裂。在氫氫氣中的的拋光試試樣的失失敗與在在空氣中中（圖88）的非非常相似似，根本沒(méi)有有氫致斷斷裂跡象象。此外外，外部部是切變變裂痕（3）的的斷裂面面以細(xì)長(zhǎng)長(zhǎng)的開(kāi)放放式的凹凹痕為特特點(diǎn)，這這表明從從中心向向試樣的的外部的的增殖方方向。這這與在空空氣中觀觀察試樣樣的結(jié)果果一致。4.討論論穩(wěn)定的奧奧氏體不不銹鋼顯顯

35、示對(duì)HHEE的的高抵抗抗性，而而亞穩(wěn)定定鋼呈現(xiàn)現(xiàn)對(duì)HEEE 2-77，266較差差阻力。這種相相關(guān)性已已導(dǎo)致在在奧氏體體不銹鋼鋼中HEEE在應(yīng)應(yīng)變誘導(dǎo)導(dǎo)馬氏體體相變中中起幾乎乎全部的的作用。反過(guò)來(lái)來(lái)，應(yīng)變變誘導(dǎo)馬氏體相相變一般般被認(rèn)為為是材料料的標(biāo)稱(chēng)稱(chēng)化學(xué)組組成的重重要部分分，特別別是，鎳鎳含量或或與鎳等等效值相相應(yīng)的函函數(shù)。然然而，在在奧氏體體不銹鋼鋼中HEEE的問(wèn)問(wèn)題不能能被減少少到一個(gè)個(gè)標(biāo)稱(chēng)組組成或鎳鎳等效值值的范圍圍。所有有這些方方面必須須與耐HHEE奧奧氏體鋼鋼的發(fā)展展過(guò)程中中應(yīng)變誘誘導(dǎo)馬氏氏體相變變的出現(xiàn)現(xiàn)一起考考慮。在在這項(xiàng)工工作中，該合金金的開(kāi)發(fā)發(fā)過(guò)程是是基于前前述方面面的修正

36、正值的三三個(gè)主要要屬性。具體而而言，把把抵抗應(yīng)應(yīng)變誘發(fā)發(fā)馬氏體體形成的的非常高高穩(wěn)定性性，和由由相對(duì)高高的超臨臨界流體體萃取的的方法進(jìn)進(jìn)行均勻勻變形的的可能性性相結(jié)合合，可以以得到一一種奧氏氏體組織織。而新新型合金金10-8- 2.55已經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證前兩兩個(gè)要求求，無(wú)論論SFEE和相應(yīng)應(yīng)的變形形機(jī)制的的實(shí)驗(yàn)評(píng)評(píng)價(jià)都是是未來(lái)研研究的一一部分。對(duì)于在在這項(xiàng)工工作中研研究的合合金，參參考材料料3044L和3316LL定義了了對(duì)HEEE的高高抵抗的的邊界條條件。新新型合金金可以在在兩個(gè)邊邊界條件件之間選選擇，而而在高阻阻力一側(cè)側(cè)，即它它以AIISI 3166L型不不銹鋼相相同的方方式進(jìn)行行。在這項(xiàng)工工作中

37、，研究的的合金中中主要和和最重要要的差別別依賴(lài)于于對(duì)應(yīng)變變誘導(dǎo)-馬氏體體相變奧奧氏體相相的穩(wěn)定定性。在在測(cè)試和和表征過(guò)過(guò)程證明明了3004L鋼鋼的低穩(wěn)穩(wěn)定性。在圖33所示的的拉伸曲曲線表示示的是微微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)的變化化的第一一個(gè)跡象象，其中中在兩種種氣壓下下均觀察察到強(qiáng)應(yīng)應(yīng)變硬化化。這些些值連同同圖4中中概述清清楚地證證明該合合金對(duì)HHEE的的高敏感感性。通通過(guò)材料料5,13,14,16,17觀察到到3044L鋼的的宏觀低低延展性性在促進(jìn)進(jìn)氫的滲滲透和流流通中與與馬氏體體的影響響有關(guān)。與3044L鋼合合金對(duì)比比，3116L和和10-8-22.5都都對(duì)馬氏氏體有非非常高的的穩(wěn)定性性，并且且在拉伸伸強(qiáng)

38、度和和斷裂伸伸長(zhǎng)率方方面沒(méi)有有外部氫氫的不利利影響。這兩種種合金只只有在氫氫氣體環(huán)環(huán)境（表表2）斷斷面收縮縮率（ZZ）的影影響較小小。比在在Z值的的區(qū)別更更重要是是圖9和和11中中合金110-88-2.5在機(jī)機(jī)械加工工和拋光光之間試試樣發(fā)生生的失效效模式上上的變化化。這些些條件有有利于氫氫致斷裂裂以表面面的開(kāi)裂裂466的形形式出現(xiàn)現(xiàn)。只要要這些表表面的裂裂紋增長(zhǎng)長(zhǎng)是由外外部氫輔輔助，可可以得到到圖9-3類(lèi)型型的斷裂裂面。由由于新合合金有一一個(gè)非常常高的面面積減少少（表22），所所以隨時(shí)時(shí)間變化化，在試試樣的頸頸部表面面附近發(fā)發(fā)生氫致致斷裂是是很可能能的。因因此，在在表面引引發(fā)氫致致斷裂和和散裝

39、材材料的自自然預(yù)期期故障之之間發(fā)生生競(jìng)爭(zhēng)。從圖99中給出出的斷口口形貌，可以推推測(cè)出氫氫輔助區(qū)區(qū)域（33）的的的發(fā)展集集中在材材料整體體性質(zhì)的的某一點(diǎn)點(diǎn)，導(dǎo)致致斷裂模模式的變變化。一個(gè)類(lèi)似似的推理理可以應(yīng)應(yīng)用于如如表100所示合合金3116L的的斷口分分析。即即，在某某些位置置上的應(yīng)應(yīng)力集中中高到足足以允許許氫氣滲滲透時(shí)，外的部部分影響響氫氣氛氛，和散散裝材料料能夠掌掌控的氫氫致斷裂裂的進(jìn)展展。合金金3166L更高高的清潔潔度（圖圖2）預(yù)預(yù)計(jì)將在在材料表表面應(yīng)力力集中的的減少上上發(fā)揮有有益的作作用。后后者可以以解釋在在受氫影影響的區(qū)區(qū)域分別別為177%和223%這這種材料料和新型型合金之之間的

40、差差異。雖然對(duì)HHEE易易感性的的拋光表表面的有有益效果果已在文文獻(xiàn)中報(bào)報(bào)道 21,67，按照照簡(jiǎn)單的的表面處處理不能能解釋在在圖111中給出出了斷口口結(jié)果。在-550在400 MPPa氫氣氣氛中測(cè)測(cè)試的合合金100-8-2.55的拋光光試樣，可以觀觀察一個(gè)個(gè)完全韌韌窩斷裂裂。此外外，那些些在空中中的測(cè)試試試樣與與在（圖圖8和99）的氫氫氣氣氛氛中機(jī)械械加工的的樣品相相比形狀狀，尺寸寸，和凹凹坑的分分布與有有更多類(lèi)類(lèi)似。由由于表面面處理，在外部部氫446拉拉伸試驗(yàn)驗(yàn)中出現(xiàn)現(xiàn)的表面面裂紋開(kāi)開(kāi)始和增增殖將被被抑制。因此，如果避避免了表表面裂紋紋的產(chǎn)生生，該材材料將從從試樣63-65中心向向外部以以

41、自然的的方式變變形。考考慮到這這種類(lèi)型型的材料料166,211,588重要要的吸收收氫不能能通過(guò)擴(kuò)擴(kuò)散發(fā)生生，材料料變形和和外部氫氫氣氛的的主要相相互作用用下是氫氫原子的的。在這這個(gè)方案案中,如如果新合合金通過(guò)過(guò)交叉位位移容易易變形，在入口口的氫原原子將分分布在不不同的滑滑動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)和變形形進(jìn)行局局部化的的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)會(huì)減少。因此,如果在在微觀尺尺度上變變形的局局限避免免，韌性性宏觀反反應(yīng)就可可以預(yù)期期。該合金110-88-2.5的整整體性能能可主要要在對(duì)應(yīng)應(yīng)變誘發(fā)發(fā)馬氏體體相變的的穩(wěn)定的的基礎(chǔ)上上理解。具體地地，圖66和7清清楚地表表明該合合金相對(duì)對(duì)于參考考的3116L具具有較高高的穩(wěn)定定性。然然而

42、，除除了足夠夠的奧氏氏體穩(wěn)定定性等屬屬性，還還需要其其他屬性性才能獲獲得HEEE-耐耐磨材料料400。在在合金110-88-2.5的情情況下，在塑性性應(yīng)變下下發(fā)生均均勻變形形的可能能性被認(rèn)認(rèn)為是必必要的額額外的屬屬性.毫無(wú)疑問(wèn)問(wèn)，對(duì)合合金100-8-2.55的氫氣氣輔助的的斷裂進(jìn)進(jìn)一步調(diào)調(diào)查是必必需的。特別是是，SFFE的實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)定定，變形形機(jī)制的的完整描描述，和和斷裂力力學(xué)性質(zhì)質(zhì)主要解解釋了該該合金中中的氫的的行為。然而，這種材材料在440MPPa的純純氫氣和和在-550C下下的性能能意味著著它是氫氫能應(yīng)用用的一個(gè)個(gè)有希望望的候選選對(duì)象。結(jié)論 一種有有著對(duì)氫氫環(huán)境脆脆化（HHEE）高阻抗抗力

43、的新新型的精精益合金金化的奧奧氏體鋼鋼在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室中可可以通過(guò)過(guò)實(shí)證方方法手段段開(kāi)發(fā)。特別是是，高碳碳、高錳錳和高鋁鋁含量的的組合是是無(wú)鉬且且含鎳量量為8.0%材材料的基基礎(chǔ)。與與兩個(gè)營(yíng)營(yíng)利的AAISII 型3304LL和3116L鋼鋼相比，合金對(duì)對(duì)HEEE的敏感感性是借借助于440MPPa純氫氫氣環(huán)境境和-440的慢速速率拉伸伸試驗(yàn)為為評(píng)價(jià)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的。在這些些條件下下，新型型合金表表現(xiàn)出與與3166L的參參考材料料等效的的對(duì)HEEE的高高抗性。這是主主要是，該新型型合金的的整體性性能，可可以在對(duì)對(duì)應(yīng)變誘誘發(fā)馬氏氏體的形形成非常常高的穩(wěn)穩(wěn)定性的的基礎(chǔ)上上理解。此外，在氫氣氣環(huán)境中中材料的的高延展展

44、性表明明了在塑塑性應(yīng)變變下發(fā)生生均勻變變形的一一定能力力。在氫氫氣氣氛氛中的新新型合金金的性能能意味著著它是氫氫能應(yīng)用用的一個(gè)個(gè)有希望望的候選選對(duì)象。最后，通過(guò)考考慮鉬的的不存在在和與鋼鋼3166L相比比超過(guò)44%鎳含含量的減減少量，合金附附加費(fèi)預(yù)預(yù)計(jì)將顯顯著降低低，從而而表現(xiàn)出出一種構(gòu)構(gòu)件在氫氫環(huán)境中中運(yùn)行的的成本效效益。鳴謝：作者非常常感謝以以合同號(hào)號(hào)032278002D為為根據(jù)tthe Bunndessminnistteriium fur WWirttschhaftt unnd TTechhnollogiie(BBMWii)的財(cái)財(cái)政支持持。這些些在氫環(huán)環(huán)境的拉拉伸試驗(yàn)驗(yàn)是在“焊接研研究所

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