专访丨陈翊升/路洪洲博士:超高强度钢氢致延迟断裂最新进展

   日期:2020-01-19     来源:汽车材料网    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:1月10日《Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries,and precipitates》一文在《科学》杂志上出刊发表,一时受到了业界内的广泛关注。
   【中国汽车材料网】1月10日《Observation of hydrogen traPPing at dislocations, grain boundaries,and precipitates》一文在《科学》杂志上出刊发表,一时受到了业界内的广泛关注。本研究由澳大利亚悉尼大学、中信金属、北科大和上海交大等国内外数十位专家共同完成,本研究针对微合金化热成形钢的氢陷阱进行突破性的物理验证并对氢陷阱机理进行了理论分析。中国汽车材料网有幸邀请到该文的第一作者陈翊升博士、及通讯作者路洪洲博士与我们一起谈谈汽车超高强度钢氢致延迟断裂的研究进展。
  
  两位博士共同表示,科学技术研究一般分为以下几类:一是工程技术研究,通常可以通过现有的理论进行优化以及进行试错研究,一般可以解决大多数工程技术问题。
  
  二是纯理论研究,这种形式的研究可以不考虑工程应用的实际工况以及可设定一系列合理的假设,再通过实验、计算或者模拟等,可以形成较好的创新成果,并对未来的科技发展产生一定的影响。
  
  第三种最难,即解决工程应用难题背后的复杂科学问题,单纯通过工程试错以及纯理论研究往往不能达到成效。而本研究属于第三种。
  
  氢致延迟断裂性能评价是超高强度钢应用的热点问题
  
  近年来,超高强度钢氢致延迟断裂的机理一直是行业研究的热点话题。路博士表示1000MPA及以上的高强度钢存在严重的氢脆问题已经成为学术界和工业界共识,高强度钢零部件的氢脆问题不只在汽车行业存在,在建筑、交通、桥梁、航空航天等均存在,是一个共性问题。当然在过去的多年中,业界提出了很多解决方案,学者们也提出了很多假说和理论。但事实上,作为本文的研究成果,直观并定量地观测铌作为氢陷阱尚属首次,尤其首次通过物理实验证明了晶界和位错可以做氢陷阱,这对未来的新材料开发和优化有重大的指导意义,对工程应用中如何进一步缓解氢脆指明了方向。
  
  在汽车工业中,高强度钢螺栓以及热冲压成形钢、CP钢、QP钢,以马氏体钢是存在氢脆的主要钢种,而当前和未来用量最大的就是热成形钢,VOLVO多数车型的热成形钢用量达到了其车身重量的20%以上,部分车型甚至达到了40%。根据国内车身会议的数据,自主品牌领先水平的热成形钢用量也达到了20%,其他品牌的也基本在10%及以上。每年全球汽车应用热成形零部件达到5亿件,用材料达到600多万吨左右。陈博士与路博士表示热冲压成形零部件潜在氢致延迟断裂问题是OEM最为担忧的问题之一,是当前汽车制造行业的难点、焦点和热点问题。
  
  在奥氏体化加热炉的露点控制、钢材冶炼过程中的氢含量控制、材料及零部件的氢脆检测、钢中氢陷阱的设置等方向也已经被研究和应用,有较好的基础,尤其是中信金属在过去的8年间一直在这个方向进行攻关,所开发的新材料已经工程应用,相关的宏观测试也已经证明了铌对氢致延迟断裂的抑制作用,但钢材氢陷阱的存在状态、机理、以及相关机制一直不清楚,尤其是晶界和位错的氢陷阱作用机理和理论方面,无论在学术界还是工程上都是以假设和猜想作为研究和开发基础,日本相关学者进行的氢微印分析可以一定程度展示氢陷阱,但仍然是一种不可靠的实验观测方法。因而能对这些问题进行精确的物理证明就至关重要,一旦理论和机理方面被证实,科学家和工程技术研究人员可以及依此为基础进行系列的工程开发以及新材料的理论探讨。我们在工业热成形钢材料成分和工艺的基础上设计了目标研究材料,而非理想化的、与产业应用毫无关联的实验材料设计,欣喜的是我们得到了预期的、创新性的结果。无疑,在此基础上得到的研究结论对工业界的支撑作用更大、更具实用价值。
  
  创新研究方法解决延迟断裂研究中的“氢”观察难题
  
  在氢致延迟断裂的研究中,测量氢原子精确位置与捕捉是非常困难的。陈博士指出,说到观测精度,就不得不提在材料学中最重要的一个方面:表征。材料研究与天体物理学、粒子物理学一样,除了理论和假说外,最重要的就是物理观测。以马氏体的显微结构观察为例,简单的放大镜看,只能看到表面的一些坑坑洼洼,而为了知晓一种材料的显微结构,要想研究一种材料性能,科学家至少要观察到微米级(放大千倍),如果要获得更深入的信息,甚至要观察到纳米级(放大万倍)。如今,材料表征已经需要进行到原子级别的研究才能进一步揭示物理世界的奥妙,这种表征技术就是三维原子探针(Atom Probe Tomography,APT)技术。APT的原理与高压电晕静电分选类似,给制备好的针尖试样施加一个高电位,在电场力的作用下,金属之间的键接被打断,离子在电场力的加速作用下飞向探测器,然后根据探测器收集的数据进行深度分析,这个过程金属试样就好像被蒸发了一样,十分有趣和奇妙。APT试样是一个直径只有100纳米的针尖,此种小尺度表征的试样制备难度非常高,制样时全程必须在显微镜下进行,并且小尺度的试样会让氢非常容易脱附。因此,我们创新地让此种小样品在进行实验时从头到尾保持在低温冷冻状态,达到摄氏零下170度来减少氢的脱附,将氢尽量保留在原本的位置,具体的原子探针仪器改进和精细化的表征操作已经在论文的附件中进行了详细描述。
  
  回到刚才提到的马氏体钢的重要性,一般的透射电镜(TEM)可以观察到板条马氏体包括其内的位错、孪晶、碳化物析出等等,而APT则可分辨马氏体内部每一个原子的成分及其排布方式,特別是普通尺度下无法精细观测的位错、团簇(clusters)以及偏析等等。由于氢脆涉及原子尺度下的氢与缺陷相互作用,长久以来理论学家认为是位错和晶界上的氢与材料的氢脆密切相关、并认为位错和晶界可以作为氢陷阱,但此理论在过去难以用普通实验手法来证明。此工作运用冷冻APT成功定量观察到钢中位于位错和晶界处的氢,如下图1C和G。此结果展示了足以完全验证氢脆理论模型的重要实验数据。
  
  图一. 三维原子探针实验数据、图片出处Y. Chen, H. Lu et al “Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries and precipitates” Science 10 Jan 2020:Vol. 367, Issue 6474, pp. 171-175 DOI: 10.1126/science.aaz0122
  
  本工作还有一个新的发现是,氢并非存在于NbC碳化物的结构内部,而是主要存在于NbC与基体的晶格畸变位置,如下图2 C~F。而这结果于陈博士2017年的同样发表《科学》杂志的文章完全不同,综合这两个结果梳理出了氢是可以存在于碳化物的内部也可以在晶格畸变位置的,这是一个非常有趣的差异,同时也验证了理论学家采用第一性原理的理论计算结果。
  
  图二. 三维原子探针实验数据、图片出处Y. Chen, H. Lu et al “Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries and precipitates” Science 10 Jan 2020:Vol. 367, Issue 6474, pp. 171-175 DOI: 10.1126/science.aaz0122
  
  研究结果开创“延迟断裂研究”领域里程碑
  
  路博士表示,钢材的延迟断裂现象研究始于1875年,由Johnson提出并证实氢会导致材料力学性能的显着恶化,并将导致材料产生无预警的脆断。多年来,国内外由于氢致延迟断裂引发的安全事故已屡见不鲜,往往造成严重的生命财产损失,如20世纪80年代通用汽车曾因车底控制架上螺栓的延迟断裂失效,召回640万辆汽车,造成重大经济损失。随着超高强度钢应用领域的不断拓展,延迟断裂现象受到更大程度的关注。对于汽车零部件,其产品形状复杂、变形量大,因此OEM、零部件及材料供应商对延迟断裂性能更加重视,已逐渐成为原材料性能认证的基本项目之一,日本于2000年专门成立了“延迟断裂研究会”,欧洲自2011年起每年均召开钢铁与氢(Steel & Hydrogen)专题会。2015年路博士参加JSAE春季学术年会,发现日本的钢铁企业十分重视超高强度钢的延迟断裂研究,他们先后设计了三点弯曲试验和四点弯曲试验,采用气体充氢和电解充氢等不同方式进行研究。事实上,早在2011年,马自达的1800MPa热成形钢保险杠加强梁就采用了微合金化的方式来提升热成形的抗氢脆能力,并做了大量的对比评价工作。
  
  目前国内外针对高强钢材料发生氢脆断裂的内在机理进行了大量的研究,发现产生氢脆现象的原因在于服役环境、应力分布、材料特性三者间的综合作用。其中服役环境决定氢渗入材料基体内部的难度;应力分布决定了氢元素在基体内部的偏聚状态;材料特性决定了氢在材料内部的可扩散能力、扩散路径及与氢元素间的交互机理。总体而言,氢脆是否发生主要取决于氢元素在金属中的状态,如吸附、扩散、富集等,并通过其与显微组织发生交互作用,以形成氢压、弱化金属原子键合力、降低表面能或促进局部塑性变形等方式促使材料力学性能的显着下降,易导致提前发生脆性断裂。针对氢脆的机理研究,国内外许多学者对此进行了深入的研究探讨,但是截至目前依旧没有完全得出一套成熟的理论,存在多种解释,如氢压理论、氢弱化键理论、氢降低表面能理论、氢促进局部塑性变形理论、氢促进空洞形核理论等。其中最大的难题是钢中的氢看不见摸不着,精确位置与捕捉非常困难,当然这也是进行精细表征研究的重要意义。人类不断探寻和尝试揭示自然世界奥秘的诉求和行动,促进了我们科技的不断发展和进步,为人们的生活带来了更多的便利,也促进了人与自然的和谐相处,这正是研究的主要源动力。
  
  汽车高强钢氢致延迟断裂测评应引起更多的重视
  
  路博士指出,国外研究已经明确:几个ppm的氢进入热成形钢这一类超高强度钢内,将使其力学性能显著降低,导致构件在存储、运输乃至装车后出现开裂。因此,为了保证车身安全服役要求,当前的研究焦点,一是热成形钢板的氢致延迟断裂敏感性评价方法研究,二是如何有效降低热成形钢的氢致延迟断裂敏感性。
  
  首先,全面、精准、可行的氢致延迟断裂敏感性测评技术方法,是研究热成形钢氢致延迟断裂微观机理、促进钢材改性及零件设计、工艺优化的前提和基础。当前国内外针对钢材氢致延迟断裂敏感性评价指标,一类从氢在钢中的渗入及扩散特性角度,表征钢材的氢致延迟敏感性,一般基于氢渗透试验,采用氢扩散系数予以评价。另一类通过考察渗氢前后钢材强塑性的损失程度进行评价,代表如氢脆敏感性指数等,这类指标更贴近零件产品的应用。当前国内外一般采用加速试验法进行氢致延迟断裂敏感性检测评价,如慢应变速率法、恒载荷法、准静态拉伸法、U型梁弯曲-浸泡法、冲杯法、断裂力学法、氢渗透法等。目前,中国汽研牵头联合中信金属等单位共同制定了《超高强度汽车钢板氢致延迟断裂敏感性测试及评价规范》,目前标准正在公示中,将为汽车行业应用提供依据。
  
  其次,通过微合金化提高钢材综合性能的研究已成为国内外超高强度汽车用钢领域研究的热点,利用Nb、V等微合金的碳、氮化物在不同温度下固溶和析出特性,使钢的综合性能最优化。Nb和V均是容易形成碳、氮化物的元素,针对热成形钢,基于高温奥氏体化组织状态下Nb碳化物析出的细化晶粒作用(NbC)的固溶温度在1150℃左右,在钢奥氏体化过程中NbC通过钉扎晶界实现奥氏体晶粒细化)与V碳化物(淬火冷却过程中在相界、位错线和铁素体内大量弥散析出)与Nb碳化物相结合起到的扩散氢捕获作用相结合,能显著改善热成形钢抗氢致延迟断裂性能。
  
  中信金属、中国汽研和马钢等联合开发的Nb-V复合高性能热成形钢的抗氢致延迟断裂性能大幅度提升的同时,其抗断裂失效性能也有较大的提升,相关成果获得了中国汽车工业科技进步奖一等奖,开启了一个热成形钢开发和应用新的阶段。事实上,早在2012年,中信金属联合宝钢、北科大团队研究了不同铌含量的热成形钢,当铌含量为0.05%时,其临界氢致延迟断裂应力大幅度提高。由于Nb元素加入后的原始奥氏体晶粒尺寸得到了细化,强韧化的同时,也扩大了热冲压过程中奥氏体化的工艺窗口,降低了工业生产的废品率。
  
  据介绍,该团队的另一个宏观分析研究表明,在2000MPa级热成形钢中,加入Nb元素后,慢应变速率拉伸的强度损失从23.46%降低到17.68%。Nb元素添加后,可以显着改善材料的氢致开裂敏感性,使汽车在服役过程中得到一个更高的安全系数,避免零件在服役过程中提前脆断,提前脆断会使零件的吸能性能大大降低。我们最近这篇文章的结果也更直观地从微观角度证实了上述宏观性能的改善的机理。
  
  为了推动提升热成形钢氢致延迟断裂性能的研究,路博士先后和中国汽研、悉尼大学等连续组织了两届“汽车EVI及高强度钢氢脆大会”,得到了国内外的企业界和学术界的积极响应,搭建了中国的氢脆研究和交流平台。
  
  经过多年的努力,宝武、马钢、日照钢铁、本钢等相继开发了系列微合金化的热成形钢,尽管技术路线不同但异曲同工,均提高了热成形钢的抗氢致延迟断裂性能,并均已批量应用,为汽车的安全和轻量化做出了贡献。
  
  主要汽车高强度钢延迟断裂机理解读
  
  热成形钢和马氏体钢可算是当前各类超高强度钢中氢脆敏感性最显着的一类钢种,其基体组织一般为淬火马氏体与少量的贝氏体及残余奥氏体组织,高温成型条件下基体产生的强烈的固态相变导致的晶格畸变,导致这类钢材内部具有大量的缺陷及极强的热内应力,在一定氢环境条件下极易产生氢脆,也是本研究将热成形钢作为研究对象的原因。
  
  DP钢的马氏体含量一般在5%-30%范围,其抗拉强度最高可达2000MPa,仍是存在一定的风险。相关学者将高强度DP钢充氢后,发现屈服强度几乎不变,而抗拉强度降低,但均匀伸长率却降低2/3。这可能是由于解理裂纹在高强马氏体或铁素体/马氏体界面上萌生,然后通过强度较低的铁素体扩展的结果。
  
  TRIP钢组织中的几乎无马氏体,但随着受力后TRIP效应的发生,脆性马氏体不断增多,抗氢脆性能显着降低,存在断裂风险。可以说,应变过程中的TRIP效应是TRIP钢高氢脆敏感性的主要原因。
  
  淬火-配分钢(Q&P)其实是一种经过热处理、具有TRIP效应的马氏体钢。2013年相关学者开始关注该类钢种的氢脆现象,研究表明Q&P钢经冲氢处理后的抗氢脆能力相比于DP钢、TRIP钢等更差,分析认为这是由于残余奥氏体在拉伸过程中产生的TRIP效应的导致的。因此,高强度冷冲压QP钢的切边,是QP钢零部件延迟断裂的主要风险源。
  
  可见,目前汽车常用的超高强度钢如DP钢、TRIP钢、Q&P钢等都存在氢致延迟断裂的问题,下一步,该研究团队在深入研究热成形钢的氢致延迟断裂机理的同时,还正在开展Q&P钢的氢致延迟断裂和相关标准研究。
  
  据悉,中信金属和悉尼大学也正在研究大桥斜拉索的氢脆研究,除了桥梁外,还将创新的研究方法应用到其他领域。
  
  专家信息:
  
  陈翊升,工学博士,于新竹清华大学材料系读本硕,毕业后从事数年顾问与研究工作后,至英国牛津大学材料系三年内就取得博士学位,并于毕业后至澳洲悉尼大学进行博士后研究,并取得悉尼大学Fellow之荣衔。陈博士在英国及澳洲期间各在《科学》杂志上发表一篇关于以三维原子探针研究氢脆问题的论文,并取得澳洲科学院(ARC)国家重点项目资助,为近年三维原子探针领域中新生代的领军人物。
  
  路洪洲,工学博士,九三学社社员,高级工程师。现任中信金属股份高级经理/汽车技术总监、集团高级专家、九三学社中信支社主委。曾任中国汽车工程研究院材料工艺部部长、轻量化分中心副主任。先后兼任九三学社中央参政党理论研究中心研究员、中汽协会车轮分会理事、中国公路学会运输与物流分会理事、中汽学会越野车分会委员/货运装备分会委员/材料分会委员、重庆市材料学会常务理事、吉林大学校外研究生导师等。2003年起从事汽车开发和管理工作,先后承担863课题4项,科技部国际合作1项,支撑计划课题3项,主持自然科学基金1项、澳大利亚linkage Project课题1项及30余项开发项目。出版专著2部,主编及参编7部。在Science, EST, metals等发表学术论文90余篇,授权发明专利7项。获省部级科技进步一等奖2项、三等奖1项、市级一等奖1项、九三中央课题二等奖和社市委突出贡献奖等。
 
 
注:本网转载是出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。
 
如果您有汽车材料相关文章,欢迎给我们投稿,Email:[email protected]在线投稿
 
打赏
 
更多>同类资讯
0相关评论



服务支持

关注我们

微信平台二维码