氢能具有储量丰富、可再生、可储运和转换利用率高等优点,被认为是21世纪最具发展前景的清洁能源,氢的安全高效存储是氢能规模化利用的关键。本文针对氢能储运装备临氢关键部件易发生氢脆失效的难题,选取典型奥氏体不锈钢为研究对象,以氢渗透和马氏体相变理论为基础,开展典型316L不锈钢拉伸试样的激光喷丸、电化学充氢和慢拉伸试验,并采用ABAQUS有限元软件,进行激光喷丸-残余应力-氢扩散-拉伸相互耦合的数值模拟。在此基础上,探究激光喷丸强化316L不锈钢在富氢环境下的抗氢脆机理,主要工作如下:(1)探讨奥氏体不锈钢在富氢环境下氢渗透、氢扩散和氢致马氏体相变机理,详细阐明氢扩散的控制方程和本构方程;分别从静态和动态两个角度,揭示激光喷丸316L不锈钢诱导的残余应力及高密度位错、晶粒细化等微观组织演变在富氢环境中的抗氢脆机理。(2)开展典型316L不锈钢试样的激光喷丸、电化学充氢及慢应变速率拉伸试验,探索激光喷丸在材料表层诱导的残余应力、晶粒尺寸、位错组态等宏微观演变特征及其对氢原子扩散、聚集行为、氢致马氏体相变、氢致塑性损失及断口形貌的影响规律,揭示残余应力/晶粒尺寸/位错组态协同的抗氢脆机理。结果表明,激光喷丸诱导的残余压应力、晶粒细化使得被处理表面致密化,可阻碍外界氢扩散至材料内部;同时,高密度位错充当氢陷阱,捕获渗透进材料的游离氢;另外,晶粒细化形成的复杂晶界不仅缩短了携氢位错的滑移长度,而且使渗透至材料内部的氢分布均匀化,阻碍氢原子聚合为氢分子;应力应变曲线表明,激光喷丸提高了316L不锈钢的的抗拉强度和延伸率,降低了其氢致塑性损失的程度。(3)采用ABAQUS有限元软件,进行激光喷丸-残余应力-氢扩散-拉伸相互耦合数值模拟。将激光喷丸强化模拟所得的应力应变结果,作为氢扩散和拉伸过程的预定义场,开展残余应力-氢扩散-拉伸过程的顺次耦合计算,分析残余压应力对316L不锈钢抗氢渗透行为的作用规律,探究残余压应力与氢渗透共同作用对试样力学性能的影响,进而合理预测316L不锈钢的氢脆敏感性。模拟结果表明,与未处理试样相比,激光喷丸诱导的高幅值残余压应力可有效阻碍环境氢的渗透,同时抑制已渗入的氢在材料内部的扩散。此外,激光喷丸试样的抗拉强度和延伸率受氢扩散影响较小,氢致塑性损失不明显,与试验值的变化趋势一致。