“氢经济”已经成为当下的热点话题，不仅有助于环保主义者实现无碳未来的梦想，也让投资者对其金融属性充满热情。为了在能源输送、炼钢、化学加工和运输、发电等应用领域内大规模使用氢气，先决条件就是优先采用可再生能源进行氢气的生产，同时确保其安全运输和储存。

毋庸置疑，许多必要的基础设施将主要由钢材建成。不过，氢与金属的接触，特别是与高强钢的接触，可能会在特殊环境下对材料性能造成不利影响。更确切地说，钢材所吸收的原子氢、高屈服强度和局部三维应力状态等三种因素的叠加，即使在低于设计应力的情况下，也会导致部件过早失效。更为糟糕的是，失效通常不会在施加载荷时立即发生，而是在一段时间后才会发生。甚至在部件投入使用的几天后才能观察到所谓的“延迟裂纹”。因此，在质量监控方面，这是一个非常严重的问题。

氢脆现象是在预处理过程中，如炼钢、电化学处理或焊接过程中，钢材内部积聚的残余氢所造成的。或者，脆化也可能是由于钢材在使用过程中暴露于含氢或腐蚀性环境中所造成的。为此，研究人员已经制定了必要的程序，在加工过程中减少钢对氢的吸附量或在施加任何服役载荷之前去除氢。在服役寿命期间，需要对潜在的原位吸氢采取必要的防护措施，例如通过被动或主动腐蚀控制。在上述情况下，避免钢中吸氢是一项成本高昂的工作。另一方面，已采取各种措施开发出具有更好抗氢脆性的高强钢。这一应用建立在优化显微组织的基础上，并涉及到更先进的合金化概念。

为了取得明显的进展，需要深入理解氢致材料失效的机制。氢气由双原子的氢分子组成，不过，氢在钢中仅以单原子的形式溶解。因此，需要在钢表面进行氢分子的离解。由于氢原子的尺寸是所有化学元素中最小的，因此，它可以通过扩散过程轻易穿透钢组织晶格。氢致损坏的经典理论认为，单一氢原子在金属内部向孔洞或空穴扩散，并重新结合成为双原子形式的分子，通过逐渐形成内压，进而产生气泡或内部裂纹。

这种机制在低强度钢中表

现并不明显，但在超高强钢中，仅存在极少量的氢气就会造成损坏，氢气的临界含量随着钢材强度的增大而降低。对于强度在1500-2000MPa范围内的钢材，阈值甚至可能低于含氢量的百万分之一。在没有应力的情况之下，少量氢通常是不均匀分布于钢基体组织中。一旦施加载荷，氢被吸引到三维应力占优势的区域。这种三维应力状态是由几何缺口和显微组织不均匀等诱因所引起的，如硬质夹杂物或预先存在的裂纹尖端。应力区局部加宽的铁晶格有利于氢原子活化，其他可以吸引氢聚集的位点并不是无序晶格的区域，如晶界和相界。氢的局部浓度升高会削弱铁原子间的结合强度或降低晶界的内聚力。因此，相对较低的应力水平足以使材料分离，并产生裂纹。这种损坏机制被称为“氢增强解理效应（HEDE）”。最近的研究表明，在马氏体模压淬火钢中，可在低至400MPa的应力下发生氢致晶界解理断裂，而钢材的平均屈服强度在1000MPa以上。因此，裂纹沿界面以脆性方式扩展，产生所谓“沿晶断裂”的小平面断口特征。

尽管沿晶断裂的出现暗示了氢脆的作用，但氢引起的损坏机制更难辨认。氢增强局部塑性（HELP）增加了位错的活动性，特别是在缺口、裂纹尖端或夹杂物等应力升高不连续区域附近。HELP机制的作用通常与所谓的“准解理断裂”有关，它主要结合了脆性外观和一些残余的塑性变形。另一方面，由HELP促进位错活动的增加，从而会产生更多的空穴，这就是铁晶格中的点缺陷，可以看作一个空的晶格位置。所谓的“氢增强应变诱导空位形成（HESIV）”机理有力地促进了这种点缺陷的形成并使其稳定。这些空穴可以凝聚成二维缺陷，而这些缺陷又可以聚合并形成空洞。由此产生的韧窝状损坏外观类似于延性断裂。如果HELP和HESIV在接近名义屈服强度的应力水平下被激活，那么不稳定程度可能不及HEDE。

这三种氢致损坏机制都需要时间，让氢扩散并逐渐形成损坏特征。因此，宏观裂纹发生时，使部件承受应力的时间延迟。断裂时间是反映钢种固有氢损坏敏感性的一项指标。充氢后对钢样施加恒定应力，然后记录裂纹发生的时间，从而确定这一参数。裂纹孕育时间越长，钢的耐磨性越强。

为了减小对氢致裂纹的敏感性，高强钢的钼合金化是一种非常有益的方法。在国际钼协会（IMOA）近期开展的项目中，开发了一种汽车车身用2000MPa级模压淬火钢。通过向基体合金添加0.5%的钼，断裂时间从30h左右增加到120h时以上。与铌的合金化使裂纹孕育时间进一步延长到180h以上，如图1所示。

大量潜在的物理冶金效应解释了钼在降低氢致裂纹敏感性方面的功能。钼原子非常倾向于偏析到晶界，还可以增强聚集。通过这种方式，抵消了氢原子聚集在相同晶界所引起的HEDE机制。

溶质钼是一种大尺寸的原子，它与位错和空位相互作用，从而限制了它们的可动性。因此，使得HELP和HESIV机制受到阻碍。

溶质钼原子作为局部氢捕集位点，显著降低了氢的扩散系数。钼可以进入到微合金碳化物中，甚至可以自行析出。在钢基体组织中，这种纳米尺寸颗粒的存在起到了氢捕集位点的作用，阻碍了位错的可动性。

很长一段时间以来，人们已经观察到钼合金化超高强钢非常适用于氢吸附环境。实际应用证明，用于螺栓、石油专用管材或耐磨部件的高强钢具有更长的服役寿命和更高的服役应力。基于这些结果，合金设计优化指南建议减少磷和硫等杂质，降低锰含量，通过铌微合金化来细化显微组织，增大钼含量来产生上述有益效果。从淬透性的角度来看，钼是一种理想的合金元素。特别在抑制软质相的形成方面，其作用大约是锰的2.7倍。因此，如果降低锰含量，可以通过添加少量钼来进行补偿。最为重要的一点是，钼合金化提供了优异的耐回火性，最终确保了强度、韧性和抗氢致裂纹性能的优异组

合。

近来，对钼冶金效应的研究将使钼在未来几代超高强钢中得到更精确的应用，确保高质量和低成本的理想结果。这些钢材将在轻量化结构的持续大趋势中发挥重要作用，会使得汽车车身变得更轻、更安全和更可持续。随着氢经济的持续发展，作为化石燃料的替代品，今后将对氢气提取和输送基础设施提出更明确的要求，从而对耐氢脆钢材产生大量需求。从长远来看，钼合金化将会是一个非常有效的解决方案。（文德）