获奖项目名称：

抗氢功能基元的氢捕获机理与高强抗氢钢设计

第一完成单位：

北京科技大学

项目联系人：

何洋

联系人电话：

13521862031

联系人邮箱：

yanghe@ustb.edu.cn 

项目简介：

2.1研究目的

随着氢能的蓬勃发展以及钢的强度不断提高，临氢装置发生氢脆的风险越来越大。开发高强抗氢材料，是保证氢能和高端装备安全服役的关键。发生氢脆的主要原因是氢在晶界等缺陷处的大量富集，缓解氢脆的一个有效策略是在钢中设计弥散分布的纳米析出相作为氢陷阱，形成“小院高墙”，阻隔氢的大量富集，降低发生氢脆的风险。通常认为碳化物、氮化物等析出相都可以捕获氢，可视作是“抗氢基元”，但具体捕获机理并不清晰。不清晰的机理给如何调控捕氢能力带来了困惑。我们研究发现，鉴于钢中不同种类析出相的结构、成分及界面特征存在差异，不仅其捕氢能力不同，甚至相邻的两个析出相，一个捕获氢，另一个则排斥氢。现阶段对于钢中大部分析出相的氢捕获行为仍存在争议，原因主要是目前基本都用热脱附方法表征析出相的平均抓氢效果，对抗氢功能基元的物理本质的认识仍不清晰，这阻碍了析出相作为抗氢功能基元的开发和改性。因此，调控和发展新型抗氢功能基元的关键在于澄清析出相的俘氢机理，为发展抗氢钢提供理论基础。

2.2 主要科学发现点

1. 发现NbC与α-Fe之间半共格界面上的失配位错是氢陷阱。进一步，创新发展了单一纳米析出相氢捕获行为与机理的原位表征技术，发现并非所有非共格NbC、Ti2CS界面都能作为氢陷阱，其俘氢功能取决于界面原子结构与化学特征，碳空位和界面拉应变能捕获氢，而界面压应变场会排斥氢。

2. 基于上述发现，提出了应变提升界面抗氢功能的新策略。以珠光体钢为模型材料，施加一定程度的预应变能在碳化物与基体界面上引入弹性应变、位错和碳空位，进而显著提升界面的氢捕获能力；通过共格界面施加弹性应变，实现极小尺寸FeMn B2析出相从本征排斥氢到捕获氢的功能性转变。

3. 基于上述策略，通过应变-时效方法将纳米尺寸的Cr₂₃C₆碳化物引入HR₃C奥氏体钢晶粒内部、通过快速退火-应变将具有约2%弹性应变的共格FeMn B2结构的FeMn相引入DP1180铁马钢中，在多种微观组织中实现了强/韧化功能基元与抗氢功能基元的统一，突破了钢强度、韧性和抗氢性能的倒置关系。

2.3成果产生的价值

创新发展了针对单一纳米析出相的氢捕获行为与机理的原位表征技术，突破了以往宏观氢捕获行为无法直接关联微观结构的困境；发现了碳化物析出相氢捕获行为的本征多样性，阐明了抗氢功能基元的物理本质，为抗氢析出相设计奠定了理论基础；原创提出了界面应变提升俘氢能力的抗氢脆设计策略，在多种微观组织中实现了强韧化功能基元与抗氢功能基元的统一，突破了钢强度、韧性和抗氢性能的倒置关系。