300系列奥氏体不锈钢(304、316、316L)因为其优良的抗氢脆性能,广泛应用于高压氢系统中,作为加氢反应器内衬、储氢容器、高压氢压缩机、压力表、高压阀门、配管、管路接头材料。但奥氏体不锈钢强度普遍较低,除少数析出相强化牌号(如A-286),其屈服强度σ_s在200-300MPa。对高压氢系统来说,该类材料难以满足轻量化设计要求,因此许多零部件采用了应变强化奥氏体不锈钢。虽然奥氏体不锈钢在氢气环境中不产生明显的氢脆,但却不能忽视其经应变强化后的氢致脆化问题。高压环境氢与交变荷载的耦合作用以及应变强化组织残余影响是导致以上事故的主要原因。并且应变强化奥氏体不锈钢在高压氢环境中疲劳损伤方面仍有待研究。应变强化奥氏体不锈钢承载件在交变载荷、高压氢气和应变强化残余影响的共同作用下,其疲劳损伤直接影响高压氢系统的服役安全性。本文基于变形组织形核动力学的差异,通过改变变形温度和变形量,实现对变形孪晶、位错结构、预变形和动力学马氏体等微观组织的调控,并分别讨论其后续作用机制。通过将不同的变形微观组织及其残余影响有效分离,分别讨论其与环境氢之间的耦合作用,最后得出奥氏体不锈钢成形制造-微观组织-氢传输与分布-氢致开裂的关联机制。并且建立起新的三个氢致开裂的模型。本研究以轧制变形S30408和S31603奥氏体不锈钢为研究对象,采用高压氢环境力学性能测试、高分辨透射电镜(HRTEM)、电子背散射(EBSD)、氢原位力学性能测试等研究手段,通过研究高压氢环境下应变强化和裂纹尖端尖局域化形变组织对氢传输行为、氢分布特征、氢致疲劳损伤的影响,揭示高压环境氢与交变荷载耦合作用下应变强化奥氏体不锈钢从微观到宏观的多尺度疲劳损伤的演化机制。主要结论如下:(1)对于冷轧试样:在低ΔK值区域时,大量的初始孪晶使得位错难以越过孪晶界发生交滑移,位错不断塞积使得裂纹加速钝化,从而表现为较低的疲劳裂纹拓展速度;在ΔK值区域,裂纹尖端应力值逐渐增加,位错开始越过孪晶界形成剪切滑移带,随后动力学α’马氏体在滑移带与位错交界处形核。由于α’马氏体与奥氏体基体在氢溶解度和氢扩散系数上存在巨大差异,氢易在两者界面处聚集,从而使得材料在剪切滑移带/孪晶交界处优先开裂,最终导致高的疲劳裂纹扩展速率。(2)对于温轧试样:由于在温轧过程中没有发生孪生且位错分布也更加均匀,无论在低ΔK值还是高ΔK值区域内,都较难发生马氏体相变,因此其裂纹扩展机制相对较简单。在低ΔK值条件下,裂纹尖端塑性区内发生充分的塑性变形,充分演化形成位错墙结构将晶粒划分为多取向的亚晶结构,最终导致裂纹拓展路径呈现多方向性。在高ΔK值时,由于较大地应力幅,亚晶内形成许多细密的二次孪晶结构。这种细密的孪晶结构最终导致断面上出现更加细密、起伏较小的断口形貌。(3)成形过程中轧制变形量越大,轧制温度越低,预变形过程中初始孪生变形所占的比例越大,这些初始孪晶对后续裂纹扩展过程中动力学α’马氏体的形核、长大起到至关重要的作用。动力学α’马氏体与原奥氏体基体在氢扩散系数和氢溶解度上存在巨大差异,对氢在材料中的扩散和偏聚产生巨大影响,进而对材料的抗氢脆性能造成影响。(4)孪晶和α’马氏体增加奥氏体材料的氢脆敏感性主要通过以下2种机制:氢在孪晶界/滑移带处偏聚,最终导致裂纹沿滑移带/孪晶界快速拓展,形成台阶状的断口微观形貌或者沿孪晶界的小平面形貌;氢易在裂纹尖端处的块状α’马氏体内部富集,最终导致裂纹在{100}解理面处优先开裂,形成许多的微裂纹和微孔。这些微孔和微裂纹随后与主裂纹合并,加速裂纹向前扩展,并最终形成准解理平面的微观断口形貌。