NbC/α-Fe半共格界面深氢陷阱的原子尺度研究

【作者】 石荣建； 马源； 王自东； 高磊； 杨许生； 乔利杰； 庞晓露；

【机构】 北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心； 北京科技大学腐蚀与防护中心； 北京科技大学材料科学与工程学院； 香港理工大学工业及系统工程学系； 香港理工大学深圳研究院；

【摘要】 高强钢的氢脆是限制其工业应用的重要瓶颈,而碳化铌(NbC)纳米析出相在提升强度的同时也能提高抗氢脆性能。本文利用高分辨透射电镜(HRTEM)直接观察到马氏体钢中NbC与Fe基体的半共格界面处存在大量失配位错,在回火态样品中含有大量的尺寸在5-10nm的半共格NbC纳米析出相,通过HRTEM原子级观察得到NbC(平均直径为10.0±3.3 nm)与Fe基体之间为K-S半共格取向关系,并且其半共格界面处存在高密度的两套失配位错。为了揭示NbC深氢陷阱的本质,即界面处高密度的失配位错是否是深氢陷阱的捕获位点,我们对NbC与α-Fe的B-N界面、K-S半共格界面进行第一性原理计算(DFT)建模与计算,计算其与氢的结合能并观察氢的捕获位点。在B-N的共格界面处,氢处在Fe的弹性应变场,结合能为0.06 eV(约为6kJ/mol);对于含有界面碳空位的B-N共格界面,氢处在碳空位中心,结合能为0.33 eV,即32kJ/mol;在透射电镜下得到的K-S半共格界面中,氢处在失配位错核心,结合能为0.80 eV (77 kJ/mol)。采用热脱附谱法(TDS)实验得到的激活能为81.8 kJ/mol。结合DFT和TDS证实了这些失配位错核心是NbC作为深氢陷阱的根源,并基于这种理念得到具有优异抗氢脆性能的高强马氏体钢。更多还原