随着增材制造（AM）技术在高强度钢领域的应用不断拓展，其氢脆（HE）敏感性逐渐成为制约服役性能的关键问题。由于 AM 工艺形成的显微组织与传统工艺存在显著差异，氢在材料中的作用机制及其与组织特征的关系仍缺乏系统理解，尤其是氢陷阱特征对氢脆行为的影响尚不明确。以超高强度中碳低合金钢 AISI 4340 为代表的材料，因其在航空航天和国防领域的广泛应用，亟需探索通过热处理调控抗氢脆性能的有效路径。

亮点

近日，昆士兰大学研究团队在国际知名期刊Materials Science and Engineering: A 上发表最新成果，系统研究了 AM 制备的 AISI 4340 钢在不同回火温度（205 ℃，315 ℃ & 425 ℃）下的氢脆行为。研究发现：

低温回火（205 ℃、315 ℃） 保持贝氏体组织并促进细小碳化物析出，提高了氢陷阱能力，从而在氢环境下保持更高的强度和延展性；

中温回火（425 ℃） 促进位错回复并降低氢在材料中的聚集，使氢扩散能力增强，显著改善了抗氢脆性能。

结果表明，在氢环境中回火 425 ℃ 的样品仍保持约 1200 MPa 的屈服强度，仅表现出 5% 的抗拉强度下降和 64% 的延伸率下降，性能远优于未经回火的样品。该研究强调了氢陷阱特征在氢脆机理中的核心作用，并为 AM 高强度钢的热处理优化提供了新的思路。

 图1.  (a)代表性LIST电位降与施加应力数据曲线，其中“绿色圆圈”标示屈服区域。(b) 比较增材制造AISI 4340钢与不同回火温度处理钢的氢脆指数, I_ductility及氢敏感指数I_strength。除425℃回火试样外，其余试样因氢诱导断裂导致无法测定屈服强度（YS）。但回火处理显著提升了抗氢脆能力。因此，所有回火试样的抗拉强度均高于氢富集环境下直接3D打印试样（图1b）。相较于未回火状态，315℃和425℃回火处理还显著提高了试样的伸长率（EL）。

如图1a所示，T425试样经425°C回火后，甚至能测得屈服强度（YS，约1200 MPa），其屈服区域由绿色圆圈和红色线条标注。这表明该钢种即使在氢环境中也能恢复塑性。测得的T425延展性指数I_ductility约为63.7%，较增材制造试样（I_ductility为78.5%）降低约20%。T425试样抗拉强度I_strength的下降更为显著，较增材制造试样30.8%的值降低约7倍至4.7%。这表明T425在富氢环境中强度损失极小。这些发现凸显了回火处理对氢脆敏感性的重大影响，可有效提升抗氢能力。尤其值得注意的是，钢材在氢环境中发生塑性变形具有积极意义，这能有效防止材料发生突发性失效。 

图2. 回火温度对增材制造4340钢氢扩散行为的影响。图中呈现了归一化氢渗透瞬态曲线，显示衰减与积累过程（图2a和b），对应的平均有效扩散系数D_eff（图2c）以及平均亚表面氢浓度C_H（图d）。

结果表明，205℃和315℃回火对增材制造钢的扩散系数影响甚微。原始试样、T205和T315试样的有效扩散系数（D_eff）相当，其中T315试样表现出最低的D_eff值（5.35×10⁻⁵ mm²/s）。425℃回火显著加速了稳态过渡，如陡峭的渗透曲线（图2a和b）所示。这表明T425试样中氢扩散速率大幅提升，对应测得的最高有效扩散系数达9.96×10⁻⁵ mm²/s。另一方面，测得的亚表面氢浓度(C_H)与D_eff呈反比关系。原始试样与T205试样的C_H值分别为4.54 ppm和4.84 ppm (mol/m³)，两者相当。T315材料表现出最高的C_H值（6.87 ppm），而T425材料则呈现最低的C_H值（3.83 ppm）。

 图3. 为深入探究不同钢材在氢致行为差异的成因，采用TDS技术对氢捕获类型及含量进行了定性与定量评估。

图3所示的TDS结果揭示了增材制造的4340钢中存在显著的氢捕获行为差异。低温脱附峰（图3d）普遍存在于所有试样中，对应扩散氢在弱可逆位点（如位错、低角晶界、空位及各类碳化物与相界面的结合处）的捕获。高温峰（图3e）出现在200°C以上，归因于不可逆捕获位点，如高角晶界、基体-碳化物界面及碳化物内部缺陷。在回火试样中，T315样品表现出最高总氢浓度（6.43 wt. ppm），表明该温度回火引入了大量氢捕获位点。相反，T425样品呈现最低总氢含量（1.24 wt. ppm），表明高温回火后捕获能力降低。

通常氢浓度（C_H）越高，越易发生氢脆。然而LIST测试结果却揭示出矛盾现象：尽管C_H值较高，T315试样相较于原始制造状态及T205试样展现出更强的热脆性抗性。这种看似矛盾的结果（即高C_H值下仍具低热脆性敏感性）并非新发现，已有数项研究对此进行过报道。显然，氢致脆性是一种复杂现象，其若干方面仍有待阐明。本研究中，该现象可归因于315℃回火工艺的双重效应：该处理可能形成高密度新捕集位点，这些位点虽增加了测定总氢含量，但通过均匀分布氢原子并阻止其在关键应力集中区域聚集，有效削弱了可扩散氢的危害性。与此同时，回火处理带来的延展性提升进一步增强了材料的抗氢脆能力。这表明捕获位点的分布特性比总氢含量本身对氢脆行为更具决定性影响.

图4. 展示了经降噪处理的XRD光谱，结果表明所有试样在相组成上均无显著差异。主要相为α-铁素体。值得注意的是，与其他测试试样相比，T425试样呈现更窄更锐利的衍射峰，表明其晶体缺陷更少且微观结构恢复程度更高。放大观察图4中62.5°至67.5°及80°至85°间的峰值可见，T205和T315试样相较于原始试样及T425试样，其峰位显著向低角度偏移（如图中红箭头所示）。这种向低角度的偏移可归因于205℃和315℃回火过程中残余应力释放导致的晶格膨胀。相反，425℃回火促进了更广泛的碳化物析出，从而降低了贝氏体铁素体中的碳过饱和度，进而减小晶格参数并使衍射峰重新偏移至高角度。

图5. 透射电子显微镜表征显示，所有试样均呈现贝氏体微观结构，其中片状组织形态并非严格平面状。对贝氏体片状组织（图5c，g & k）的观察发现，片状结构内部存在以特定角度平行分布的纳米级析出物，表明其具有低贝氏体特征。该微观结构很可能是增材制造过程中快速冷却与自回火共同作用的结果。后续低温回火对碳化物形态影响有限。SAED分析证实沉淀相为渗碳体，与周围铁素体基体存在明确的取向关系（ORs）。透射电子显微镜结果证实，回火4340钢中碳化物的尺寸和数量均随回火温度升高而变化。与锻造状态相比，在205和315℃回火的试样中碳化物数量增加（图5g和k），而在425℃回火的试样中碳化物尺寸显著增大°C的试样中，碳化物尺寸显著增大（图5o），其尺寸约为制造状态的3至5倍（~10nm与~50nm）。

本研究系统研究了回火温度（205 ℃，315 ℃和425 ℃）对增材制造超高强度 AISI 4340 钢氢脆敏感性的影响，首次揭示了通过调控回火工艺可有效提升 AM 高强钢的抗氢脆性能。结果表明：

425 ℃ 回火样品： 在氢环境下仍保持高屈服强度（~1200 MPa），抗拉强度仅下降 5%，表现出最优的氢扩散能力和最低的氢浓度，说明其对氢的吸收能力较低，且未被俘获的氢可快速扩散，从而显著降低氢脆敏感性。

315 ℃ 回火样品： 具有更高的氢陷阱密度和氢浓度，在强度与硬度保持相对稳定的同时，抗氢脆性能优于未回火与低温回火样品。

不同温度下的主导氢脆机制差异明显：低温回火及未回火样品同时受 HEDE 与 HELP 机制主导，而中温回火样品主要受 HELP 控制。

进一步分析表明，抗氢脆性能受氢扩散能力、陷阱特征与氢浓度的协同作用支配。高晶格扩散系数(D_L) ，合理的陷阱–汇平衡（即不可逆陷阱比例高、可逆陷阱少）通常有利于提升抗氢脆性能，但必须与材料的总氢含量结合考虑。例如，尽管 T315 样品的氢浓度较高，但其丰富的有效陷阱和较低的扩散阻滞效应仍赋予其优于未回火样品的抗氢脆性能。而 T425 样品则在三方面同时达到最优（高晶格扩散系数、低氢浓度、不可逆陷阱占主导），展现出最佳的抗氢脆性能。

本研究不仅阐明了氢陷阱特征在调控氢脆行为中的关键作用，还强调了需要从氢迁移性、陷阱特征与氢浓度的整体视角评估氢脆敏感性，为通过热处理优化增材制造高强钢在氢环境下的服役可靠性提供了新的思路和理论依据。

研究团队简介

通讯作者：谭启玚, Jeffrey Venezuela和张明星教授为本文共同通讯作者。

张明星澳大利亚昆士兰大学机械与矿业工程学院教授，2003年至今在昆士兰大学任教。张明星教授的研究兴趣包括金属和MAX相材料的增材制造，高熵合金，通过机器学习进行新合金设计以及晶体学在工程材料中的应用，金属表面工程以及铸造金属的晶粒细化。截至2025年9月，他发表学术论文约350篇，H-index=80，总引用19400多次，h10-index=234，论文分别发表在Progress in Materials Science, Acta Materialia, Scripta Materialia, Corrosion Science, Metallurgical and Materials Transactions A/B等国际知名期刊。

第一作者：姚桔，昆士兰大学材料工程专业博士。主要从事高强度低合金钢的增材制造及其氢脆行为研究。参与相关科研项目的研究工作，并在Additive Manufacturing，Corrosion Science，Materials Science and Engineering: A 等国际知名期刊发表学术论文。