隨著化石能源的日漸枯竭，尋找清潔可替代的能源成為全球關注的焦點，而氫能源儲量豐富、綠色環(huán)保、熱值理想、利用率高等的特點使其在全世界得到了廣泛推廣。在碳達峰、碳中和的新時代背景下，氫能是實現(xiàn)碳中和及可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向。此外，為滿足不斷增長的社會、市場需求和相關產業(yè)的發(fā)展需要，開發(fā)高強韌抗氫脆鋼并延長其服役壽命是國家的產業(yè)政策。但無論是在高強鋼的冶煉、軋制、熱處理、焊接以及電鍍等生產制備過程中，還是在儲運、服役過程中，高強鋼的氫脆問題始終是制約其發(fā)展應用的重要瓶頸。高強鋼的強度越高，氫脆敏感性也越大，危害也越嚴重。

　　目前，氫脆及氫損傷的科學機制已比較明晰，可是工程除氫手段仍然局限于原材料把控、鋼液真空脫氣及堆垛緩冷等工藝，這樣的工藝方法可一定程度上去除可擴散氫。然而，在高強鋼服役過程中還會有氫進入，最終導致嚴重的危害。因此，氫脆的本質問題始終沒有得到徹底解決，特別是對于重大裝備用高強鋼尤其重要。如何從鋼鐵材料的設計與制備這一根本問題上解決高強鋼的氫脆與氫損傷的瓶頸問題？構造深氫陷阱具有重大的科學意義和工程價值。發(fā)展新方法、新理念，探索開發(fā)既能提高強度又能提升抗氫脆性能的高強鋼，對資源、能源的開發(fā)利用及國防安全具有重要的工程意義，對發(fā)展和完善抗氫脆研究具有重要的理論價值。

　　針對高強鋼面臨的氫脆難題，該項目通過氫陷阱的表征、鋼中組織觀察與解析，系統(tǒng)地表征了高強鋼中淺氫陷阱、深氫陷阱參數(shù)，得出為了提升抗氫脆性能，應設計制備高密度的晶內深氫陷阱，將氫均勻彌散地分布在晶粒內。結合高分辨透射電鏡原子級觀察、第一性原理計算模擬及氫脫附實驗等方法，全面、系統(tǒng)、深入地研究了納米相半共格界面深氫陷阱的物理本質，揭示了半共格界面處的失配位錯是深氫陷阱的根源，并通過納米析出相深氫陷阱的設計抑制了高強鋼的氫脆。結合設計多元微量合金成分及含量，該項目采用局域微量供給的方法獲得具有優(yōu)異抗氫脆性能的多元納米相強化鋼，為開發(fā)高強韌抗氫脆鋼提供有效、可行的科學理念和技術路線。該項目所開發(fā)的高強韌抗氫脆車輪鋼、彈簧鋼、海洋裝備用鋼系列產品，品種多、規(guī)格全、表面質量好，創(chuàng)造了顯著的經濟效益和社會效益。

　　該項目立足于深氫陷阱捕獲氫的科學基礎，針對鋼廠除氫方法為原料控制、液態(tài)鋼水真空脫氣及堆垛緩冷等現(xiàn)狀，聚焦于服役過程中進入材料內部的大量的氫會引起高強鋼的氫脆這一關鍵問題，逐步形成了通過構筑大量高密度且彌散分布的晶內深氫陷阱提升抗氫脆性能的設計理念。

 

圖1 該項目主要研究方案

　　該項目的主要方案和技術路線如圖1所示。其通過揭示高強韌鋼中納米相與氫的原子層次的交互作用機制，設計、制備不可逆晶內深氫陷阱，有效地抑制了高強鋼的氫脆；在實際生產中，突破了多元微量元素耦合設計、精準工藝控制，實現(xiàn)了大量彌散分布的深氫陷阱可控制備；在產業(yè)化過程中通過控制多元微量合金的加入方式和鋼液對流強度，實現(xiàn)了抗氫脆高強高韌鋼的批量穩(wěn)定生產。

　　該項目結合高強鋼中多元納米第二相與氫的交互作用、多元微量元素耦合機制、多點區(qū)域微量供給、熔體中納米相形成與控制等核心關鍵技術，實現(xiàn)納米相增韌高強鋼、延長服役壽命的技術創(chuàng)新。項目組首次完全自主創(chuàng)新地提出了納米相深氫陷阱的基礎研究及高強韌鋼中納米相的形成機制與控制理論，并在高強韌鋼熔體、凝固等過程中形成納米相。該技術改變了在高強鋼生產中盡量去除大顆粒第二相。降低氫含量的傳統(tǒng)思路，使高強鋼中的第二相納米化并均勻彌散分布在基體中，從機理上解決高強韌鋼氫致開裂的科學問題，可大幅提高材料的抗氫脆性能及其強韌性，并成功用于火車車輪鋼、高強彈簧鋼、海洋裝備用抗氫脆高強韌鋼的批量穩(wěn)定生產。

　　針對先進軌道交通和海洋裝備用鋼需滿足高強韌、抗氫脆的重大需求，該項目突破了多元微量元素耦合合金設計、精準工藝控制、納米相構筑和鐵基體半共格界面等關鍵技術，從基礎研究、關鍵技術、產品開發(fā)3個維度解決高強韌鋼抗氫脆的重大難題，開發(fā)出重大裝備用高強韌抗氫脆鋼。主要創(chuàng)新點如下：

　　該項目揭示了納米相作為深氫陷阱的物理本質是半共格界面的失配位錯，從機理上解決了高強韌鋼氫致開裂的科學難題，為提升高強韌鋼的抗氫脆性能提供了理論依據(jù)和工程實踐方法；通過設計多元微量合金成分及含量，構筑納米相和鐵基體半共格界面作為深氫陷阱，提升了高強韌鋼的抗氫脆性能。

　　該項目基于多元微量元素耦合熱力學分析，揭示了多元微量元素在不同溫區(qū)的固熔—析出耦合機制；發(fā)現(xiàn)鋼中氧化物納米顆粒界面濃度、生長速度和生長時間對顆粒尺寸的影響規(guī)律，發(fā)明了鋼中納米相形成精準工藝控制技術；根據(jù)固熔—析出結果調整熱處理工藝的溫度與時間，在大圓棒、中厚板等特殊鋼中實現(xiàn)納米相均勻、彌散析出，在軋制、熱處理過程中構造納米級碳氮化物深氫陷阱；科學設計多元微量元素合金體系，控制熔體的流場、濃度場及力場，使整個工藝過程一直保持大量彌散分布的納米相，在工程上實現(xiàn)了大量彌散分布的深氫陷阱的可控制備。

　　基于上述理論與技術，該項目開發(fā)了抗氫脆高強韌鋼，通過多元微量元素設計等協(xié)同控制納米顆粒數(shù)量與組織、性能，在高強韌鋼熔體、凝固及熱處理過程中分溫區(qū)形成大量彌散分布的納米析出相，獲得抗氫脆高強韌鋼。該項目為企業(yè)開發(fā)新產品和產品轉型升級奠定了理論和應用基礎，有關企業(yè)主導和參與制定、修訂國家標準、團體標準，實現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產與供貨，創(chuàng)造了顯著的經濟和社會效益，滿足了重大裝備對高強韌抗氫脆金屬材料的重大需求。

圖2 該項目開發(fā)的高強韌抗氫脆車輪鋼、彈簧鋼及海洋裝備用鋼

　　如圖2所示，該項目開發(fā)了高強韌抗氫脆車輪鋼、彈簧鋼、海洋裝備用鋼系列產品，品種多、規(guī)格全、表面質量好，由于其優(yōu)良的綜合性能而得到廣泛應用，同時創(chuàng)造了顯著的經濟和社會效益，對高強韌抗氫脆鋼行業(yè)的技術進步起到示范引領作用。項目組開發(fā)的重載車輪鋼解決了高強度車輪鋼白點難題，實現(xiàn)了大批量出口（轉出口）到北美、澳大利亞等重載貨運高度發(fā)達地區(qū)，拓展了海外產品市場，支撐了我國鐵路走出去重大戰(zhàn)略的實施。該項目開發(fā)的彈簧鋼杜絕了高強韌彈簧鋼端部剪切裂紋現(xiàn)象的出現(xiàn)，解決了海運過程中氫促進腐蝕關鍵問題，減少了客戶產品質量異議和索賠，拓展了彈簧鋼海外產品市場；開發(fā)的海洋裝備用鋼解決了重點工程深海油田用高強韌鋼氫脆難題，30CrNi2MoV等材料填補了國內空白，完全替代了進口產品，研究成果已實現(xiàn)規(guī)?；a和應用。該項目開發(fā)的多種產品打破國外封鎖，攻克“卡脖子”的短板問題，在國內外市場取得了話語權，實現(xiàn)了相關產業(yè)升級，促進我國冶金行業(yè)和制造行業(yè)的進步，帶動了我國軌道交通、海洋裝備等領域制造技術發(fā)展，確保我國戰(zhàn)略性優(yōu)勢產業(yè)鏈安全。