近代以来,人类日益增长的能源需求导致了不可再生化石能源的过度开采和消耗,化石能源的消耗殆尽及带来的环境问题是人类即将面临的危机。氢能由于具有清洁、高效和储量巨大等优点,被世界各发达国家所重视,中国也十分注重氢能的开发,目前国内氢能已经进入实际使用阶段。由于氢原子的特殊性,氢特别容易对材料(特别是金属材料)造成负面(塑性、韧性降低)影响,即氢脆(Hydrogen Embrittlement,HE)现象。显然,氢能的应用需要相关金属结构(如储氢容器和输氢管道)用材的氢兼容性进一步提高。低合金钢是目前应用最为广泛的压力容器和管道用钢,喷丸是目前应用在低合金钢上技术手段成熟、成本相对低廉的表面强化手段,可提高材料的抗疲劳、耐腐蚀和耐磨性能。喷丸对低合金钢HE敏感性和氢扩散的影响值得关注。本文针对常见的低合金钢Q345R和PSB1080研究其经过喷丸加工后HE抗性的变化,采用了有限元模拟、试验研究以及理论分析论证等相互结合的研究方法。核心的研究内容如下:(1)利用ABAQUS有限元软件对PSB1080钢喷丸后氢扩散进行数值模拟分析,并与文献报道的喷丸对PSB1080钢氢脆敏感性影响的试验研究结果进行对比。首先基于John-Cook模型模拟得到喷丸碰撞在钢表层引起的残余应力和塑性变形场,然后将所得的应力和应变场作为初始条件,采用考虑应力和塑性变形联合作用的Oriani-Sofronis氢扩散模型,计算不同含氢水平氢环境条件下正常晶格间隙内氢浓度随时间沿深度方向的分布及表观扩散系数的变化规律。结果表明:比起残余应力,塑性变形对氢扩散的影响更为显著,且影响的程度取决于环境的含氢水平;在低含氢水平的氢环境中,由于喷丸塑性变形导致的位错陷阱数量增加,而氢浓度较低,大量的氢被位错陷阱捕获,从而氢在正常晶格间隙及夹杂、孔隙等陷阱中浓度降低,且氢向钢中扩散速度降低,导致钢氢脆敏感性降低;在高含氢水平的氢环境中,虽然位错也增加,但大量的氢能够迅速填满位错陷阱导致其对氢扩散系数的影响不大,而大量氢陷阱于夹杂、孔隙等陷阱中形成高压氢鼓泡,从而钢的氢脆敏感性增加。所得结论从氢扩散的角度解释了PSB1080钢喷丸后氢脆试验所观察到的矛盾现象,即在低含氢环境中喷丸降低钢的氢脆敏感性,而在高含氢环境中喷丸后钢的氢脆敏感性增加。(2)开展了Q345R钢(铁素体+珠光体)不同时间喷丸后表层性状表征及氢渗透试验研究,通过对比分析材料表层性状变化与氢渗透曲线变化,发现氢扩散系数随喷丸时间的增加呈现阶梯下降趋势,即0.5 min喷丸降低氢扩散系数,但2~35 min喷丸对氢扩散系数影响不大,而60、90 min喷丸再次降低氢扩散系数。短时喷丸带来的残余压应力、位错能降低钢的氢扩散系数,但由于一方面比起塑性变形残余应力对氢扩散系数的影响有限,另一方面位错密度在一定时间的喷丸后达到饱和,导致2~35 min喷丸对扩散系数影响不大,60、90 min喷丸由于大量的撞击变形使钢中铁素体和珠光体晶粒(或称相粒,下同)严重细化并与铁素体晶粒充分弥散混合,导致铁素体和珠光体晶粒边界体积分数显著增加,而珠光体和铁素体边界为氢的强陷阱,从而进一步降低氢扩散系数。(3)基于电化学阴极充氢和室温慢应变速率拉伸试验,并结合断口形貌分析以及氢渗透试验结果,研究了喷丸对Q345R钢的抗氢脆性能的影响规律和机制。研究发现随着喷丸时间的增加,Q345R氢脆敏感性指数在整体上呈现降低趋势,但其中2~15 min喷丸对氢脆敏感性影响不大。随着喷丸时间的增加,充氢试样断口心部由准解理和微孔聚集型混合断口逐渐转变为微孔聚集型断口,而试样边缘由微孔聚集型断口逐渐转变为混合型断口。表明长时喷丸由于表层位错陷阱显著增加、晶粒细化,使氢扩散系数显著降低,从而显著降低氢向试样内部的扩散,将氢截留在试样表层,使表层氢含量增加,但内部氢含量减少,从而降低材料的氢脆敏感性。