隨著化石能源的日漸枯竭
，尋找清潔可替代的能源成為全球關注的焦點，而氫能源儲量豐富、綠色環保、熱值理想、利用率高等的特點使其在全世界得到了廣泛推廣。在碳達峰、碳中和的新時代背景下，氫能是實現碳中和及可持續發展的重要戰略方向。此外
，為滿足不斷增長的社會
、市場需求和相關產業的發展需要，開發高強韌抗氫脆鋼並延長其服役壽命是國家的產業政策。但無論是在高強鋼的冶煉
、軋製、熱處理、焊接以及電鍍等生產製備過程中，還是在儲運、服役過程中，高強鋼的氫脆問題始終是製約其發展應用的重要瓶頸。高強鋼的強度越高
，氫脆敏感性也越大
，危害也越嚴重。

　　目前，氫脆及氫損傷的科學機製已比較明晰

，可是工程除氫手段仍然局限於原材料把控、gangyezhenkongtuoqijiduiduohuanlengdenggongyi，zheyangdegongyifangfakeyidingchengdushangquchukekuosanqing。raner，zaigaoqianggangfuyiguochengzhonghaihuiyouqingjinru，zuizhongdaozhiyanzhongdeweihai。yinci，qingcuidebenzhiwentishizhongmeiyoudedaochedijiejue

，tebieshiduiyuzhongdazhuangbeiyonggaoqianggangyouqizhongyao。ruheconggangtiecailiaodeshejiyuzhibeizheyigenbenwentishangjiejuegaoqianggangdeqingcuiyuqingsunshangdepingjingwenti？gouzaoshenqingxianjingjuyouzhongdadekexueyiyihegongchengjiazhi。fazhanxinfangfa、新理念
，探索開發既能提高強度又能提升抗氫脆性能的高強鋼
，對資源、能源的開發利用及國防安全具有重要的工程意義
，對發展和完善抗氫脆研究具有重要的理論價值。

　　針對高強鋼麵臨的氫脆難題，該項目通過氫陷阱的表征
、鋼中組織觀察與解析，係統地表征了高強鋼中淺氫陷阱、深(shen)氫(qing)陷(xian)阱(jing)參(can)數(shu)
，得(de)出(chu)為(wei)了(le)提(ti)升(sheng)抗(kang)氫(qing)脆(cui)性(xing)能(neng)，應(ying)設(she)計(ji)製(zhi)備(bei)高(gao)密(mi)度(du)的(de)晶(jing)內(nei)深(shen)氫(qing)陷(xian)阱(jing)，將(jiang)氫(qing)均(jun)勻(yun)彌(mi)散(san)地(di)分(fen)布(bu)在(zai)晶(jing)粒(li)內(nei)。結(jie)合(he)高(gao)分(fen)辨(bian)透(tou)射(she)電(dian)鏡(jing)原(yuan)子(zi)級(ji)觀(guan)察(cha)、第一性原理計算模擬及氫脫附實驗等方法，全麵
、係統、深shen入ru地di研yan究jiu了le納na米mi相xiang半ban共gong格ge界jie麵mian深shen氫qing陷xian阱jing的de物wu理li本ben質zhi，揭jie示shi了le半ban共gong格ge界jie麵mian處chu的de失shi配pei位wei錯cuo是shi深shen氫qing陷xian阱jing的de根gen源yuan，並bing通tong過guo納na米mi析xi出chu相xiang深shen氫qing陷xian阱jing的de設she計ji抑yi製zhi了le高gao強qiang鋼gang的de氫qing脆cui。結jie合he設she計ji多duo元yuan微wei量liang合he金jin成cheng分fen及ji含han量liang，該gai項xiang目mu采cai用yong局ju域yu微wei量liang供gong給gei的de方fang法fa獲huo得de具ju有you優you異yi抗kang氫qing脆cui性xing能neng的de多duo元yuan納na米mi相xiang強qiang化hua鋼gang，為wei開kai發fa高gao強qiang韌ren抗kang氫qing脆cui鋼gang提ti供gong有you效xiao
、可行的科學理念和技術路線。該項目所開發的高強韌抗氫脆車輪鋼
、彈簧鋼、海洋裝備用鋼係列產品，品種多、規格全、表麵質量好，創造了顯著的經濟效益和社會效益。

　　該項目立足於深氫陷阱捕獲氫的科學基礎，針對鋼廠除氫方法為原料控製、液(ye)態(tai)鋼(gang)水(shui)真(zhen)空(kong)脫(tuo)氣(qi)及(ji)堆(dui)垛(duo)緩(huan)冷(leng)等(deng)現(xian)狀(zhuang)
，聚(ju)焦(jiao)於(yu)服(fu)役(yi)過(guo)程(cheng)中(zhong)進(jin)入(ru)材(cai)料(liao)內(nei)部(bu)的(de)大(da)量(liang)的(de)氫(qing)會(hui)引(yin)起(qi)高(gao)強(qiang)鋼(gang)的(de)氫(qing)脆(cui)這(zhe)一(yi)關(guan)鍵(jian)問(wen)題(ti)，逐(zhu)步(bu)形(xing)成(cheng)了(le)通(tong)過(guo)構(gou)築(zhu)大(da)量(liang)高(gao)密(mi)度(du)且(qie)彌(mi)散(san)分(fen)布(bu)的(de)晶(jing)內(nei)深(shen)氫(qing)陷(xian)阱(jing)提(ti)升(sheng)抗(kang)氫(qing)脆(cui)性(xing)能(neng)的(de)設(she)計(ji)理(li)念(nian)。

 

圖1 該項目主要研究方案

　　該項目的主要方案和技術路線如圖1所示。其通過揭示高強韌鋼中納米相與氫的原子層次的交互作用機製

，設計、製備不可逆晶內深氫陷阱，有效地抑製了高強鋼的氫脆；在實際生產中
，突破了多元微量元素耦合設計、精準工藝控製，實現了大量彌散分布的深氫陷阱可控製備；在產業化過程中通過控製多元微量合金的加入方式和鋼液對流強度，實現了抗氫脆高強高韌鋼的批量穩定生產。

　　該項目結合高強鋼中多元納米第二相與氫的交互作用、多元微量元素耦合機製
、多點區域微量供給、熔體中納米相形成與控製等核心關鍵技術，實現納米相增韌高強鋼
、延(yan)長(chang)服(fu)役(yi)壽(shou)命(ming)的(de)技(ji)術(shu)創(chuang)新(xin)。項(xiang)目(mu)組(zu)首(shou)次(ci)完(wan)全(quan)自(zi)主(zhu)創(chuang)新(xin)地(di)提(ti)出(chu)了(le)納(na)米(mi)相(xiang)深(shen)氫(qing)陷(xian)阱(jing)的(de)基(ji)礎(chu)研(yan)究(jiu)及(ji)高(gao)強(qiang)韌(ren)鋼(gang)中(zhong)納(na)米(mi)相(xiang)的(de)形(xing)成(cheng)機(ji)製(zhi)與(yu)控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)，並(bing)在(zai)高(gao)強(qiang)韌(ren)鋼(gang)熔(rong)體(ti)、凝(ning)固(gu)等(deng)過(guo)程(cheng)中(zhong)形(xing)成(cheng)納(na)米(mi)相(xiang)。該(gai)技(ji)術(shu)改(gai)變(bian)了(le)在(zai)高(gao)強(qiang)鋼(gang)生(sheng)產(chan)中(zhong)盡(jin)量(liang)去(qu)除(chu)大(da)顆(ke)粒(li)第(di)二(er)相(xiang)。降(jiang)低(di)氫(qing)含(han)量(liang)的(de)傳(chuan)統(tong)思(si)路(lu)，使(shi)高(gao)強(qiang)鋼(gang)中(zhong)的(de)第(di)二(er)相(xiang)納(na)米(mi)化(hua)並(bing)均(jun)勻(yun)彌(mi)散(san)分(fen)布(bu)在(zai)基(ji)體(ti)中(zhong)
，從(cong)機(ji)理(li)上(shang)解(jie)決(jue)高(gao)強(qiang)韌(ren)鋼(gang)氫(qing)致(zhi)開(kai)裂(lie)的(de)科(ke)學(xue)問(wen)題(ti)，可(ke)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)材(cai)料(liao)的(de)抗(kang)氫(qing)脆(cui)性(xing)能(neng)及(ji)其(qi)強(qiang)韌(ren)性(xing)，並(bing)成(cheng)功(gong)用(yong)於(yu)火(huo)車(che)車(che)輪(lun)鋼(gang)、高強彈簧鋼
、海洋裝備用抗氫脆高強韌鋼的批量穩定生產。

　　針對先進軌道交通和海洋裝備用鋼需滿足高強韌、抗氫脆的重大需求，該項目突破了多元微量元素耦合合金設計、精準工藝控製
、納米相構築和鐵基體半共格界麵等關鍵技術
，從基礎研究、關鍵技術、產品開發3個維度解決高強韌鋼抗氫脆的重大難題

，開發出重大裝備用高強韌抗氫脆鋼。主要創新點如下：

　　該gai項xiang目mu揭jie示shi了le納na米mi相xiang作zuo為wei深shen氫qing陷xian阱jing的de物wu理li本ben質zhi是shi半ban共gong格ge界jie麵mian的de失shi配pei位wei錯cuo


，從cong機ji理li上shang解jie決jue了le高gao強qiang韌ren鋼gang氫qing致zhi開kai裂lie的de科ke學xue難nan題ti，為wei提ti升sheng高gao強qiang韌ren鋼gang的de抗kang氫qing脆cui性xing能neng提ti供gong了le理li論lun依yi據ju和he工gong程cheng實shi踐jian方fang法fa；通過設計多元微量合金成分及含量，構築納米相和鐵基體半共格界麵作為深氫陷阱，提升了高強韌鋼的抗氫脆性能。

　　該項目基於多元微量元素耦合熱力學分析
，揭示了多元微量元素在不同溫區的固熔—析出耦合機製；發現鋼中氧化物納米顆粒界麵濃度、生長速度和生長時間對顆粒尺寸的影響規律
，發明了鋼中納米相形成精準工藝控製技術；根據固熔—析出結果調整熱處理工藝的溫度與時間
，在大圓棒、中厚板等特殊鋼中實現納米相均勻、彌散析出
，在軋製、熱處理過程中構造納米級碳氮化物深氫陷阱
；科學設計多元微量元素合金體係，控製熔體的流場、濃度場及力場
，使整個工藝過程一直保持大量彌散分布的納米相
，在工程上實現了大量彌散分布的深氫陷阱的可控製備。

　　基於上述理論與技術
，該項目開發了抗氫脆高強韌鋼，通過多元微量元素設計等協同控製納米顆粒數量與組織、性能，在高強韌鋼熔體、凝(ning)固(gu)及(ji)熱(re)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)中(zhong)分(fen)溫(wen)區(qu)形(xing)成(cheng)大(da)量(liang)彌(mi)散(san)分(fen)布(bu)的(de)納(na)米(mi)析(xi)出(chu)相(xiang)，獲(huo)得(de)抗(kang)氫(qing)脆(cui)高(gao)強(qiang)韌(ren)鋼(gang)。該(gai)項(xiang)目(mu)為(wei)企(qi)業(ye)開(kai)發(fa)新(xin)產(chan)品(pin)和(he)產(chan)品(pin)轉(zhuan)型(xing)升(sheng)級(ji)奠(dian)定(ding)了(le)理(li)論(lun)和(he)應(ying)用(yong)基(ji)礎(chu)，有(you)關(guan)企(qi)業(ye)主(zhu)導(dao)和(he)參(can)與(yu)製(zhi)定(ding)、修訂國家標準
、團體標準，實現了批量穩定生產與供貨，創造了顯著的經濟和社會效益，滿足了重大裝備對高強韌抗氫脆金屬材料的重大需求。

圖2 該項目開發的高強韌抗氫脆車輪鋼
、彈簧鋼及海洋裝備用鋼

　　如圖2所示
，該項目開發了高強韌抗氫脆車輪鋼

、彈簧鋼、海洋裝備用鋼係列產品，品種多、規格全、表(biao)麵(mian)質(zhi)量(liang)好(hao)，由(you)於(yu)其(qi)優(you)良(liang)的(de)綜(zong)合(he)性(xing)能(neng)而(er)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)
，同(tong)時(shi)創(chuang)造(zao)了(le)顯(xian)著(zhu)的(de)經(jing)濟(ji)和(he)社(she)會(hui)效(xiao)益(yi)，對(dui)高(gao)強(qiang)韌(ren)抗(kang)氫(qing)脆(cui)鋼(gang)行(xing)業(ye)的(de)技(ji)術(shu)進(jin)步(bu)起(qi)到(dao)示(shi)範(fan)引(yin)領(ling)作(zuo)用(yong)。項(xiang)目(mu)組(zu)開(kai)發(fa)的(de)重(zhong)載(zai)車(che)輪(lun)鋼(gang)解(jie)決(jue)了(le)高(gao)強(qiang)度(du)車(che)輪(lun)鋼(gang)白(bai)點(dian)難(nan)題(ti)，實(shi)現(xian)了(le)大(da)批(pi)量(liang)出(chu)口(kou)（轉出口）到北美、澳ao大da利li亞ya等deng重zhong載zai貨huo運yun高gao度du發fa達da地di區qu，拓tuo展zhan了le海hai外wai產chan品pin市shi場chang
，支zhi撐cheng了le我wo國guo鐵tie路lu走zou出chu去qu重zhong大da戰zhan略lve的de實shi施shi。該gai項xiang目mu開kai發fa的de彈dan簧huang鋼gang杜du絕jue了le高gao強qiang韌ren彈dan簧huang鋼gang端duan部bu剪jian切qie裂lie紋wen現xian象xiang的de出chu現xian

，解jie決jue了le海hai運yun過guo程cheng中zhong氫qing促cu進jin腐fu蝕shi關guan鍵jian問wen題ti
，減jian少shao了le客ke戶hu產chan品pin質zhi量liang異yi議yi和he索suo賠pei
，拓tuo展zhan了le彈dan簧huang鋼gang海hai外wai產chan品pin市shi場chang
；開發的海洋裝備用鋼解決了重點工程深海油田用高強韌鋼氫脆難題


，30CrNi2MoV等材料填補了國內空白，完全替代了進口產品，研究成果已實現規模化生產和應用。該項目開發的多種產品打破國外封鎖，攻克“卡脖子”的短板問題
，在國內外市場取得了話語權，實現了相關產業升級，促進我國冶金行業和製造行業的進步，帶動了我國軌道交通

、海洋裝備等領域製造技術發展，確保我國戰略性優勢產業鏈安全。