中锰钢由于其优良的强塑性匹配受到学术界和工业界的广泛关注。中锰钢通常由亚微米级晶粒尺寸的铁素体和奥氏体两相组成，在变形过程中，亚稳奥氏体转变成马氏体产生相变增塑效应，可同时提高材料的强度和塑性。但是，中锰钢的缺点之一是在变形过程中通常会表现出局部变形现象，如吕德斯带的形成，这种局部变形现象在冷轧退火的中锰钢中尤其明显。一方面，局部变形使材料在成形过程中表面质量变差；另一方面，由于中锰钢的局部变形通常伴随着局部的马氏体转变，且马氏体具有非常高的氢脆敏感性，因此局部变形可能对中锰钢的氢脆敏感性产生非常重要的影响。

        近日，清华大学 (通讯单位)、香港大学 (共同通讯单位) 和德国马普所的研究人员利用不同冷轧压下量的中锰钢退火后具有不同局部变形程度的特点，研究了局部变形程度对冷轧中锰钢氢脆敏感性的影响。在大的冷轧压下量下，中锰钢表现出非常严重的局部变形行为，其屈服平台的长度达到12%；而当压下量较小时，局部变形程度较轻，屈服平台的长度只有~4%。在充氢的情况下，局部变形程度严重的材料表现出非常高的氢脆敏感性，甚至在吕德斯带扩展的早期就发生了断裂。进一步研究表明，局部变形程度越严重，在吕德斯带扫过区域的局部应变量越大，其局部马氏体转变程度以及局部应力水平也越高，从而促使局部变形区域大量氢致裂纹产生并引发断裂，导致材料在宏观上表现出非常高的氢脆敏感性；而当局部变形程度较低时，吕德斯带扫过区域的马氏体转变和应力水平不足以产生大量的氢致裂纹，在加工硬化阶段，只有当应力水平和马氏体转变程度足够大时才能促使氢致裂纹失稳扩展，因此氢脆敏感性较低。相关成果以“Critical role of Lüders banding in hydrogen embrittlement susceptibility of medium Mn steels”为题发表在期刊Scripta Materialia，文章第一作者为清华大学材料学院博士生张俊，通讯作者为清华大学材料学院陈浩副教授和香港大学黄明欣教授。

        对25%（R25A）和75%（R75A）冷轧压下量的中锰钢进行相同的奥氏体逆转变热处理，均得到奥氏体和铁素体两相组织。其中R25A组织主要以条状为主，同时包含少量等轴状组织，而R75A则主要为等轴状组织。
 

        在不充氢情况下，两者的屈服强度、抗拉强度和总延伸率相差不大，但R75A表现出非常严重的局部变形行为，其屈服平台长度达到12%，而R25A的屈服平台长度仅为4%左右。在充氢条件下，R25A的延伸率明显高于R75A，其塑性损失百分比为45.7%，而R75A在吕德斯带扩展早期就发生了断裂，塑性损失百分比高达81.3%，表现出非常高的氢脆敏感性。

        将充氢样品拉伸至吕德斯带扩展阶段，观察到R75A吕德斯带扫过区域产生了大量的裂纹，而R25A中只有非常少量的裂纹。进一步观察发现，大部分氢致裂纹都起源于变形产生的马氏体界面上，因此变形过程中发生的马氏体转变将促使氢致裂纹的形成。

        拉伸过程中局部应变测量结果表明，在吕德斯带扩展阶段，R75A样品中吕德斯带扫过区域的局部应变量为15.2%，明显高于R25A的6%。大的局部应变量一方面导致其局部马氏体转变程度达到32.4%，明显高于R25A的9.4%；另一方面，由于两者在吕德斯带扩展阶段的工程应力水平相差不大，大的局部应变量导致R75A样品吕德斯带扫过区域的局部应力水平比R25A高出将近140 MPa。R75A样品充氢时，在局部高应力水平和高的马氏体转变程度下，在吕德斯带扩展至充氢区域时就产生了大量的氢致裂纹，促使样品在局部变形区域发生断裂，表现出非常高的氢脆敏感性。

        本工作设计出不同局部变形程度的中锰钢，研究了他们的氢脆行为，进一步揭示了局部变形对中锰钢氢脆敏感性的不利影响及其内在原因。相关结果表明，发展降低中锰钢局部变形程度的方法能够降低其氢致局部断裂的风险。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.08.025