摘要
高压氢系统是氢能储运的核心装备。随着服役环境的复杂化以及高压氢系统压力的不断攀升，高压氢脆问题已成为威胁高压储氢容器安全的重要原因之一。但是，针对高压氢系统常用材料奥氏体不锈钢的高压氢脆机理仍缺乏系统深入的研究。其中，亚稳态奥氏体不锈钢氢扩散系数的测试是难点，变形对氢扩散及溶解性演化的影响是研究其氢脆机理的重要基础之一。 本文在国家重点基础研究发展计划（“973计划”）课题“高压常温氢气环境下承载件损伤的演化机制”（项目编号:2015CB057601）的支持下，针对亚稳态奥氏体不锈钢氢扩散系数测试及计算方法、氢扩散与溶解特性的演化规律及演化机制开展了相关研究。主要研究内容与结论如下： （1）基于超高真空程序升温热脱附工作台，从仪器关键参数（质谱仪发射电流及电压）的影响、试验方法优化的角度建立了氢脱附曲线的测试策略；较为系统地揭示了试验温度（升温速率、温度区间）、试样状态（表面粗糙度、试样厚度）等对亚稳态奥氏体不锈钢S30408氢脱附曲线的影响规律。 （2）基于材料氢脱附曲线，建立了塑性变形后亚稳态奥氏体不锈钢有效氢扩散系数的计算方法；基于该方法研究了拉伸前含氢及不含氢材料室温变形后的氢扩散系数及溶解度的演化规律。结果表明：亚稳态奥氏体不锈钢在室温变形后，有效氢扩散系数和溶解度的演化可以大致分为两个阶段，在第一阶段，氢扩散受到抑制，氢溶解得到促进；在第二阶段，氢扩散得到促进，氢溶解受到抑制；两个阶段氢扩散系数的分界点对于拉伸前充氢及未充氢试样分别约为应变量16%、20%；两个阶段氢溶解度的分界点对于两种工况均约为应变量10%。 （3）开展材料变形后微观组织的检测，揭示了室温变形导致材料氢扩散及氢溶解特性的演化机制；通过改变变形温度及应变速率调控材料在制造过程中的组织结构，论证了应变诱导马氏体及位错对亚稳态奥氏体不锈钢氢扩散及溶解性的影响规律；基于氢扩散及溶解性的试验数据及演化机制，对预充氢亚稳态奥氏体不锈钢发生马氏体相变后的氢分布状况进行了模拟研究。研究表明：室温变形对亚稳态奥氏体不锈钢氢扩散及溶解性的影响是多因素综合作用的结果，位错和应变诱导马氏体分别是常温变形影响氢扩散及溶解过程第一、二阶段的主导因素；预充氢亚稳态奥氏体不锈钢发生马氏体相变后，两相界面处在短时间内发生高浓度的氢偏聚，且可以维持极长时间。 本文的研究成果可为塑性变形与氢耦合作用下的氢分布特性及高压氢脆机理的研究提供基础数据和理论支撑。
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