高强钢在含氢环境的服役过程中极易发生氢脆,表现为毫无预兆的突然失效断裂,氢致裂纹特征一般呈沿晶或者准解理开裂。通过观察断口形貌能够揭示氢致开裂过程中的裂纹萌生处及扩展路径上的微观组织。高强钢根据强化方式的不同具有多种微观特征,氢致开裂的过程反应了微观结构与氢的相互作用,其本质是氢对微观结构中的薄弱环节进行破坏并诱发裂纹形成。因此,研究高强钢中导致氢致开裂的关键微观组织有助于揭示钢材发生氢脆的失效机制。本论文以不同强度级别的高强钢为主要研究对象。采用微观结构观察、物相分析和三维原子探针元素分析等方法观察了高强钢微观结构并分析了关键位置的氢分布。结合了氢渗透、氢的热脱附测试和氢含量测量三种测试手段分析了高强钢中的氢陷阱位置、氢的扩散系数和导致氢致开裂的临界氢浓度。采用预充氢和动态充氢拉伸的方法评估了高强钢的氢脆敏感性并观察了断口形貌。结果表明,AISI 4140钢调质处理后组织为回火索氏体。采用扫描电镜观察并用统计软件计算得出,析出碳化物平均直径为200 nm,约占视场总面积20.2%。晶内和晶界上均发现碳化物析出。三维原子探针结果表明,碳化物为M23C6或M3C型碳化物(M可能为Cr、Mn、Mo或者Fe)。碳化物在晶内析出时,碳化物/基体界面处没有发现明显的氢偏聚,平均氢浓度为2.3 at.%,略高于基体平均氢浓度;然而当碳化物在晶界上析出时,氢偏聚主要发生在碳化物/铁素体界面上,峰值浓度为3.5(左侧)和5.9(右侧)at.%,这两个峰值都要明显高于基体内的平均氢浓度1.8 at.%,说明晶界析出碳化物起到主要的氢陷阱作用。动态充氢拉伸结果表明,AISI 4140钢的氢脆敏感性高达58.1%,断口表现出沿晶和准解理混合开裂特征。因此,晶界上碳化物与基体界面上的氢偏聚是导致沿晶开裂的主要原因。直接观察到的氢偏聚证实了碳化物界面的氢陷阱作用,为更好的理解氢脆机制作出了贡献。AISI 4140钢供货态组织为铁素体和珠光体。直到现在,铁素体/珠光体钢发生氢致开裂的真实原因还没有完全清楚。对断口特征位置下方的微观组织进行观察能够揭示氢致裂纹的萌生和扩展过程。观察结果表明,珠光体相界、铁素体/珠光体相界和毗邻的铁素体基体是氢致裂纹萌生和扩展位置。随着应力强度因子的增大,断裂模式由沿晶和准解理混合特征转变为完全的准解理开裂特征(裂纹扩展路径变为仅沿着铁素体基体扩展)。由于铁素体/渗碳体界面为低能界面,因此没有发现该界面发生开裂。PHS1800钢作为薄板热冲压马氏体钢,强度高达2 GPa,微观组织主要为马氏体。动态充氢拉伸评估结果表明试样在弹性阶段发生了氢致断裂,最高抗拉强度为740 MPa,断口为沿晶开裂特征。二维原子探针结果表明,前奥氏体晶界上峰值浓度0 82 at.%的碳偏聚是导致氢浓度过高从而发生沿晶开裂的主要原因。18Ni 300钢作为马氏体时效钢,峰时效处理后强度接近2 GPa。扫描电镜结果表明其基体为马氏体,晶内弥散析出大量金属间化合物。三维原子探针结果表明,析出的金属间化合物为Ni3Mo、N13A1和Ni3Ti组成的机械混合物,析出相与基体保持共格关系。同时还发现前奥氏体晶界上同样存在峰值浓度为0.09 at.%的碳偏聚和峰值浓度为4 3 at.%的氢偏聚。临界预充氢拉伸评估结果表明试样在弹性阶段发生断裂,断口为沿晶开裂特征。这说明晶内的析出相不是氢陷阱,前奥氏体晶界上的碳偏聚同样是导致晶界上氢浓度过高最终发生沿晶开裂的原因。为了提高高强钢的抗氢脆能力,分别采用强流离子束表面辐照,表面机械滚动研磨两种表面处理技术对PHS 1800和18Ni 300这两种超高强钢进行表面处理。PHS 1800钢辐照后,由于辐照处理对表面的快速熔化凝固特性,在熔化区内形成了具有孪晶结构的高碳马氏体。高碳马氏体的形成一方面吸收了前奥氏体晶界上游离的碳,使其浓度降低到了0.45 at.%。另一方面由于固溶了过饱和的碳(高达15 at.%)起到了强氢陷阱作用,抑制了氢在晶界上富集。辐照后,动态充氢拉伸评估结果表明辐照样品断裂前最高抗拉强度高达1300 MPa,远高于未辐照样品。断口观察表明在辐照层内断口显示为准解理开裂特征。这说明辐照处理一定程度上抑制了沿晶开裂的发生。18Ni 300钢在表面纳米化处理后,晶粒呈梯度纳米分布,中间层晶粒尺寸由10 μm细化为1 μm。晶粒细化后,晶界上的碳浓度被稀释,从而削弱了晶界上碳加速氢偏聚的作用。去应力退火后,过时效处理促使析出相长大,相界面与基体不再保持共格关系,而是变为半共格或非共格关系,从而起到氢陷阱的作用能够捕获氢。临界预充氢拉伸评估结果表明,处理后,断口呈完全的准解理特征,不再发生沿晶开裂,抗氢脆能力得到提升。