武汉科技大学《MSEA》：揭示极低温下加铝高锰钢的优异抗氢脆性能

文章导读：

液氢储运是未来氢能大规模应用的关键环节。高锰奥氏体钢因兼具优异的力学性能和突出的成本优势，在这一领域展现出巨大的应用潜力。为进一步提升高锰钢的超低温韧性，添加铝元素成为了一种极具前景的合金化策略。然而，在低温服役环境下，这类材料的氢脆敏感性目前鲜有关注，尚属研究盲区。为了填补这一认知空白，评估其实际应用潜力，本研究首次系统探究了铝合金化对高锰奥氏体钢超低温氢脆行为的影响。研究团队在25 ℃至-196 ℃的宽温域范围内，对Fe-24Mn-0.5C-4Cr-(5Al)钢开展了多尺度微观表征与慢应变速率拉伸试验。研究发现，铝的加入通过晶粒细化与固溶强化，使钢材在保持优异塑性的同时，实现了强韧性的完美协同。最为关键的是，即使去除了由铝诱导生成的保护性氧化膜，铝的加入依然在全温域范围内大幅降低了材料的氢脆敏感性，且这种保护效应在低温下更加显著。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150247

01 研究背景

在氢能储运技术中，液氢具备极高的体积能量密度，是长距离运输的核心介质。然而，液氢环境对结构材料提出了双重严苛挑战：既要保持极佳的低温力学性能，又必须具备出色的抗氢脆性能。目前广泛使用的316L不锈钢虽然性能优异，但其高昂的镍含量导致成本居高不下。相比之下，以Fe-24Mn-0.5C-4Cr为代表的高锰奥氏体钢不仅成本效益显著，而且低温力学性能突出，被视为极具潜力的替代材料。为进一步克服高锰钢在超低温下韧性下降的短板，添加铝元素成为了一种极具前景的合金化策略，但其在低温环境下的抗氢脆行为至今尚不明确。

02 实验设计

研究团队制备了两种对比钢：无铝的Fe-24Mn-0.5C-4Cr钢（24Mn钢）与含5wt.% 铝的Fe-24Mn-0.5C-4Cr-5Al钢（24Mn5Al钢）。通过慢应变速率拉伸测试，研究评估了材料在25°C至-196°C宽温域范围内的氢脆行为。结合EBSD、XRD、TEM和XPS等多尺度表征手段，全面揭示了Al对高锰钢低温抗氢脆行为的影响。

03 核心发现与图文赏析

亮点一：极低温下强韧性的完美协同

实验结果表明，添加5 wt%的铝后，奥氏体晶粒尺寸从13.5 µm显著细化至9.2 µm。在-196°C下，含铝钢不仅屈服强度显著提升，其冲击吸收能量也由122 J提升至163 J。这种强韧性的协同提升，主要归功于铝诱导的晶粒细化和固溶强化效应。

图片说明：图1a-c与g-i分别为24Mn钢与24Mn5Al钢的微观组织形貌，5wt.% Al的加入显著细化了晶粒尺寸。

亮点二：“先升后降”的非单调氢脆敏感性

受氢扩散动力学的控制，两组材料的氢脆敏感性随温度降低，均呈现出特殊的非单调趋势。在-80℃时，由于氢的动态扩散距离恰好与内部纳米孪晶间距达到同等量级，极易导致局部氢富集，从而使氢脆敏感性达到峰值。值得注意的是，在所有测试温度下，铝的加入都显著提升了材料的氢脆抗性，且这种保护效应当温度降至-196°C时尤为强烈。

图片说明：图4c与4d分别对比了充氢前后材料强度与塑性随温度的变化规律；图4f则基于塑性损失直观揭示了氢脆敏感性。氢脆敏感性在-80℃出现显著峰值，且24Mn5Al钢（红线）的全温域抗氢脆表现始终优于24Mn钢。

亮点三：三大机制共铸微观“抗氢壁垒”

首先，24Mn5Al钢因晶界增多而具备更高的本征吸氢容量，更高比例的低界面能Σ3晶界与晶粒细化效应叠加，反而有效促进了氢原子的均匀分散。其次，结合氢扩散动力学规律，随着温度骤降，氢的有效扩散距离呈指数级缩短，上述微观组织成功避免了危险的局部氢富集。最后，在-196℃下，24Mn钢内部会生成少量易引发脆性的ε-马氏体，而24Mn5Al钢则通过大幅提升材料的层错能（SFE），彻底抑制了马氏体相变，维持了稳定的孪生变形模式，从根本上消除了为裂纹扩展提供便利的敏感界面。

图片说明：图3a显示24Mn5Al钢因晶界增多而具备更强的本征氢捕获与分散能力；图12从热力学角度证实了铝对SFE的大幅提升，解释了其在低温下规避脆性相变的原因；图13则表明了氢有效扩散距离随温度的指数级衰减规律。

亮点四：致密氧化膜的天然保护

研究还发现，由于晶界密度较高，去除表面氧化膜后的24Mn5Al钢，其实际的本征捕氢能力反而更强。然而，在空气中自然老化30天后，24Mn5Al钢的吸氢量却下降了约77%。结合XPS分析证实，这是因为铝元素能促进材料表面自发形成一层富含Al³⁺的致密氧化膜。在实际服役环境中，这层天然氧化膜能够充当强效的物理屏障，极大限度地阻断外部氢的渗入。

图片说明：图3c的热脱附光谱直观显示，空气老化后含铝钢的吸氢量发生了大幅衰减；图14的XPS光谱则揭示了其根本原因——老化后24Mn5Al钢表面生成了显著增厚的铝基致密氧化膜，有效切断了氢的渗入路径。

04 研究结论

该研究系统揭示了Fe-24Mn-0.5C-4Cr-5Al奥氏体钢在宽温域内的氢脆行为。铝元素的加入不仅赋予了材料优异的低温强韧性，更通过提升层错能抑制相变、优化晶界特征促进氢均匀化等机制，大幅提升了材料的抗氢脆能力。此研究有效填补了相关领域的认知空白，为未来液氢储运领域开发低成本、高性能的结构材料提供了极为关键的理论支撑与设计思路。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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