突破瓶颈，打破封锁，北科大这项成果不简单！
习近平总书记强调，要健全风险防范化解机制，坚持从源头上防范化解重大安全风险，真正把问题解决在萌芽之时、成灾之前。在新时代背景下，为确保机械、航天、电子等行业钢铁材料的安全性和可靠性，钢材的强度与抗氢脆性能需要达到更高标准。然而，无论是在冶炼、轧制、热处理、焊接、电镀等生产制备过程中，还是在储运、服役等工程应用环节中，高强钢的氢脆问题始终是制约其发展应用的重要瓶颈。一般而言，强度越高，氢脆敏感性也越大。同时，脆性断裂也是工程构件中最危险的一种失效方式，它是因氢进入金属后，局部氢浓度达到饱和引起金属塑性下降，导致结构提前失效。脆性断裂的无规律突发性，可能会引发灾难性的事故，造成巨大人员伤亡和经济损失。
开发高强韧抗氢脆钢并提升其服役寿命是行业发展、产业升级的迫切需要。北京科技大学庞晓露教授团队长期深耕于高强钢氢脆领域，秉承“重基础、强应用、服务于国家重大需求”的科研理念，在不断创新发展过程中，从基础研究、关键技术、产品开发三个维度解决高强韧钢抗氢脆的重大难题，相关成果获得了高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖、冶金科学技术一等奖、中国腐蚀与防护学会科技进步一等奖等多项荣誉；并获授权国家发明专利25件，形成国家标准3项，团体标准1项，发表论文35篇，企业新产品立项9项。
开阔思路 求氢脆问题之根
氢脆是一种由材料、环境和应力相互作用而引发的脆化现象，分为内部氢脆和外部氢脆。目前工程上采用的除氢手段仍然局限于原材料把控、钢液真空脱气及堆垛缓冷等工艺，这些方法仅能在一定程度上解决内部氢脆问题。然而，高强钢在服役过程中受到氢的侵入引起的外部氢脆问题，最终仍会带来严重危害。
项目组立志从本质上彻底解决氢脆问题，通过氢陷阱的表征、钢中组织观察与解析，系统地揭示了高强钢中浅氢陷阱、深氢陷阱参数，经过持续不断的研究，他们发现“在高强钢生产中尽量去除大颗粒第二相、降低氢含量”的传统观念并不能更好提升材料抗氢脆性能，使氢均匀弥散地分布在晶粒内才是最佳途径。基于此判断，他们创造性地以“可控”思想代替“尽除”观念，利用高分辨透射电镜原子级观察、第一性原理计算模拟及氢脱附实验等方法，全面、系统、深入地研究了纳米相半共格界面深氢陷阱的物理本质，揭示了半共格界面处的失配位错是深氢陷阱的根源，并通过设计纳米析出相深氢陷阱成功抑制了高强钢的氢脆。
多措并举 助抗氢钢开发
项目组突破了多元微量元素耦合合金设计、精准工艺控制、纳米相形成与构筑纳米相和铁基体半共格界面等关键技术，通过微量元素设计、协同控制纳米颗粒数量与组织、性能等，在高强韧钢熔体、凝固和热处理过程中实现了分温区形成大量弥散分布的纳米析出相，从基础研究、关键技术、产品开发三个维度解决了高强韧钢抗氢脆的重大难题，并成功开发出重大装备用高强韧抗氢脆钢。
在基础研究方面，揭示了纳米相作为深氢陷阱的物理本质是半共格界面的失配位错，从机理上解决了高强韧钢氢致开裂的科学难题，为提升高强韧钢的抗氢脆性能提供了理论依据和工程实践方法。通过设计多元微量合金成分及含量，构筑了纳米相和铁基体半共格界面作为深氢陷阱，从而提升了高强韧钢的抗氢脆性能。在关键技术方面，通过多元微量元素耦合设计、多点微量供给技术、稳定精准热处理技术，找到了钢中纳米颗粒界面浓度、生长速度和生长时间对颗粒尺寸的影响规律，并在工程上实现了大量弥散分布的深氢陷阱的可控制备。在产品开发方面，工业化生产过程中，通过控制多元微量合金的加入方式以及钢液对流强度的控制，实现了装备用钢中大量弥散分布的深氢陷阱制造。通过构筑深氢陷阱、大量弥散分布深氢陷阱制造，实现了高强钢中氢的“可控”，从而显著提升了其抗氢脆性能。
依托上述理论技术，项目组开发出重载火车车轮钢、弹簧钢与海洋装备用钢等系列高强韧抗氢钢，氢脆敏感性降低50%以上，且已在马钢、方大特钢、舞阳钢铁、西王特钢等单位批量生产应用。
依托项目成果开发的多种产品打破国外封锁，使中国创造在国内外赢得了市场。重载车轮钢解决了高强度车轮钢白点问题，实现了大批量出口（转出口）至北美、澳洲等重载货运高度发达地区；弹簧扁钢拓展了海外产品市场，在东南亚地区实现了对日本市场的替代；海洋装备用钢部分材料完全替代了进口产品，实现规模化生产和应用。项目组的一系列突破带动了我国轨道交通、海洋装备等领域制造技术发展，确保我国战略性优势产业链安全。
面对发展“瓶颈”
他们勇于尝试、敢开新路
从“尽除”到“可控”
从理论到产品
凝结的是智慧和汗水
彰显的是胆识与气魄
陷阱捕获的是氢
保障的是人民安康
产业自主、国家安全
USTB | 北京科技大学
出品：新媒体中心
来源：科转院
编辑：韩琰森
校审：薛浪
责编：杨美偲
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