从发展历程到前沿挑战：高强度汽车用钢的氢脆研究新视角
20世纪初，车身采用普通低碳钢（AISI 1008、1010），塑性好、易加工焊接但强度低（<300 MPa）导致整车笨重油耗高；中期，Nb、Ti、V 微合金化使低合金高强钢（HSLA，400–600 MPa）实现板厚减薄与轻量化，用于底盘梁、车架、悬挂；20世纪末，双相钢（DP）、TRIP 钢等先进高强钢（AHSS）在600–1000 MPa范围内兼顾强度与延性，多被用于汽车的防撞梁、B柱及保险杠；21世纪初，热成形硼钢（22MnB5）成形–淬火后强度可达1500–2000 MPa，被沃尔沃、大众等广泛应用，同时第二代 AHSS（TWIP 钢）具极高延展性但成本高限制产业化；当代第三代 AHSS（Q&P 钢、中锰钢）在1000–1200 MPa强度下仍保持 >20% 延伸率。
图1. 汽车用钢的强度–延伸率分布图
中国钢铁工业协会副秘书长冯超于2024年汽车用钢发展研讨会上指出，随着新能源汽车与智能汽车近年来的迅猛发展，车身强度及轻量化有了更严格的要求。高强度钢在未来应用中将更加重要，同时其服役过程中的氢脆问题成为产业和科研关注的焦点，如何在保持高强度的同时提高抗氢脆性能成为汽车钢研究的前沿方向。
氢脆主要发生在钢材的冶炼、成形、零部件制造和使用过程中，氢的来源、扩散路径、作用方式及断裂机制如图2所示。
图2. 钢中氢的来源、传输、方向和断裂过程
氢致断裂的典型断口特征如图3所示。
图3. 氢脆断口形貌：（a）微孔聚合形成的韧窝，（b） 准解理断裂，（c） 晶间断裂，（d） 解理断裂
氢在钢的微观结构中主要存在于间隙原子、晶界、位错、空位和表面等位置，不同缺陷会影响氢脆表现。
氢在钢中的作用机制
• 削弱结合力
• 促进裂纹扩展
• 诱发晶界脆化
• 形成脆性相
• 改变位错行为
• 氢陷阱
• 马氏体效应
不同尺寸、形状和强度等级的钢材在服役环境下氢脆敏感性存在差异，因此需针对具体材料选择合适的测试方法和表征指标。
板状试样：常用恒应变弯曲或U形弯曲方法；
棒状试样：恒载拉伸或慢应变速率拉伸（SSRT）试验方法；
断裂韧性：针对含缺口试样，评估氢环境下韧性变化；
成形钢（如TWIP、TRIP钢）：可用杯突试验对比变形前后氢脆敏感性；
超高强钢：常采用四点弯曲试验，若在1260–1425 MPa应力下150h不开裂，则判定无延迟断裂风险。
机理
（1）氢压力理论：氢原子在缺陷处聚集形成氢分子，引起体积膨胀和拉应力，促进缺陷、孔洞和裂纹扩展，导致材料断裂，可解释钢中白点形成。
（2）脆性氢化物形成（BHF）：氢在过渡金属（如Ti、Zr、V）处形成脆性氢化物，尤其在裂纹尖端聚集，促进裂纹扩展，但对大多数高强度钢难以解释。
（3）氢增强解理（HEDE）：氢降低金属原子间结合力，促进位错向晶界和缺陷运动，加强解理作用，导致局部变形集中和早期断裂。
（4）氢增强局部塑性（HELP）：氢形成科特雷尔气氛，降低位错运动能，增强局部塑性变形，位错携氢向应力集中区移动，促进孔洞聚合及穿晶断裂形成。
（5）HELP与HEDE 结合：氢沿位错扩散至裂纹尖端，同时增强局部塑性与晶界解聚，导致晶间-晶内混合断裂，实验证据充分支持此机制。
（6）吸附诱导位错发射（AIDE）：氢聚集于裂纹尖端促进位错发射，形成孔洞并连接裂纹尖端，其过程类似HELP，是对局部塑性增强理论的补充。
（7）氢增强应变诱导空位（HESIV）：氢稳定空位并增加孔洞数量和尺寸，孔洞连通形成坑状缺陷，但空位如何增长为孔洞仍有争议。
氢脆抗性改进方法与途径
（1）晶粒细化：通过铌 - 钒复合微合金化细化奥氏体晶粒、马氏体片和片束，增加晶界面积和低角晶界数量，吸收可扩散氢，降低氢诱导裂纹敏感性，提高裂纹扩展阈值，增强HE抗性。
（2）强度与显微组织匹配：控制钢材强度、韧性及显微组织匹配，高强度钢易形成孪生马氏体和局部氢聚集增加HE风险。
（3）形成氢捕获位点：氢捕获位点是金属吸附和固定氢的区域，结合能高的晶体缺陷和微合金碳化物可作为氢陷阱，降低氢扩散和聚集，改善HE抗性。
（4）控制残余奥氏体：RA作为先进高强钢的重要韧性组织，具有高氢溶解能力和缓慢扩散特性，可作为强氢陷阱。其形态和稳定性受化学成分及热处理调控，C、Mn、Mo等元素可提升稳定性。
（5）消除残余应力：残余应力广泛存在于高强钢中，热冲压成形过程因变形不均易产生微观与宏观残余应力。微观残余应力集中于第二相、夹杂物或缺陷处，成为氢致延迟断裂的起裂源；宏观残余应力则主导裂纹扩展。应力可促使氢在拉应力区和缺陷处聚集，降低抗氢脆能力，并受力学响应影响而加剧。
