奥氏体316不锈钢中氢与缺陷相互作用机理的正电子湮没谱学研究

Under the constant loading, hydrogen would permeate into the local area contained a large number of defects in Austenitic 316 stainless steel long-term serviced in hydrogen environment, such as the ocean, nuclear power, oil and so on, which could produce the hydrogen embrittlement fracture. Delayed hydride cracking of stainless steels origins form the interaction between hydrogen and micro-defect and hydrogen-induced defects. Positron annihilation spectroscopy has special advantage for studying the microdefects, especially for the vacancy-like defects. The micro-defects will be produced by deformation, electron irradiation and heavy ion irradiation, and then hydrogen atoms were introduced by electrolytic hydrogen charging tests and the low-energy plasma hydrogen implantation. This project will study the micro-defects capturing hydrogen atoms and analyze the micromorphology of VnHm complexes and metal hydrides in Austenitic 316 stainless steel by positron annihilation spectroscopy, TEM, X-ray and theoretical simulation calculation. The hydrogen concentration and content in the microdefects will also be measured by TDS. The effects of hydrogen induced defect, hydride and the hydrogen concentration and other factors on the mechanism of delayed hydride cracking will be tried to evaluate by associating with experiments of tensile and hardness.

奥氏体316不锈钢是长期服役于海洋、核能、石油等临氢环境的主要结构材料。由于环境中的氢在恒载荷作用下进入不锈钢内部后向缺陷集中区域聚集，最终引发不锈钢的脆性断裂。不锈钢内部的氢致延迟断裂现象主要是由氢与缺陷的相互作用以及氢致缺陷的形成与演变过程引起。本项目主要利用正电子湮没谱学技术表征微观缺陷的灵敏特性和特色优势，以奥氏体316不锈钢为主要研究对象，通过形变、电子辐照和重离子辐照的方式引入微观缺陷，以电解充氢和低能等离子注氢的方式引入氢，结合透射电镜和X射线等技术及理论模拟计算，重点研究不同类型缺陷对氢的捕获行为，分析空位团-氢复合体结构和间隙原子团簇与氢形成的氢化物及其微观形态。结合热脱附谱仪进一步定量分析不同类型缺陷捕获氢浓度、氢含量等关键的基本参数。配合拉伸形变、硬度和应力测试等结构材料机械性能的检测方法，尝试评价氢致缺陷类型、氢化物以及氢含量等因素对氢致延迟断裂的影响机理。

奥氏体不锈钢具有较低的氢扩散系数和较大的氢溶解度， 相比铁素体、 马氏体等钢不易发生氢脆断裂。其中奥氏体 316 不锈钢广泛用于航空用钢、 海洋设施用钢、核能用钢和石油用钢等临氢环境中。但是长期服役后，进入不锈钢中氢在恒载荷作用下向缺陷集中区域聚集，引发材料的脆性断裂。不锈钢中氢致延迟断裂现象的起因正是氢与缺陷的相互作用以及氢致缺陷。研究氢与缺陷的相互作用对奥氏体不锈钢氢脆敏感性影响有重要意义，可进一步理解金属氢脆和氢致延迟断裂作用机理。本项目以奥氏体316不锈钢为主要研究对象，通过形变、电子辐照和重离子辐照的方式引入微观缺陷，以电解充氢和低能等离子注氢的方式引入氢。重点研究不同类型缺陷对氢的捕获行为，分析空位团-氢复合体结构和间隙原子团簇与氢形成的氢化物及其微观形态。理解氢致缺陷类型、氢化物以及氢含量等因素对氢致延迟断裂的影响机理。 .论文主要研究内容和结论如下：.1).研究了不同能量和剂量氢原子辐照后的氢迁移聚集、扩散以及氢脱附的行为。.2)对HnVm cluster热演化过程研究发现，随着退火温度的增加，样品内部空位会逐渐回复，游离的氢原子会向其他未分解的复合体处迁移并被重新捕获，且氢和空位的向表面和深处两方向迁移。.3)氢/氦原子会逐渐向位错靠拢聚集，形成H/He-位错复合体或者聚集成团簇并发展为气泡的形成核。且位错为氢/氦原子的迁移扩散提供了快速通道，使其向更深处扩散。