Precipitated Carbides in High-Strength Steels: their Configurations, Physical Properties, Morphologies, and their Influence on Hydrogen Embrittlement

High-Strength Steels (HSS) serve as the foundation of various industries, thanks to their impressive strength-to-weight ratios, which hold the potential for bolstering strength while simultaneously reducing weight, thereby offering a prospect for mitigating greenhouse emissions.However, the pursuit of steels with exceptional strength faces a significant challenge in the form of hydrogen embrittlement.This phenomenon reveals that the ingress of hydrogen can result in mechanical degradation of the steels, ultimately leading to premature failures.The higher the strength of steels, the greater their susceptibility to hydrogen embrittlement.Secondary precipitates, including carbides, within high strength steels holds the potential to significantly increase material strength and reduce its susceptibility to hydrogen embrittlement.Nevertheless, the hydrogen trapping abilities and properties of various carbides remain inadequately understood.While the types and compositions of carbides undoubtedly influence this aspect, conducting comprehensive experiments to assess the hydrogen trapping abilities of all potential compounds is a daunting task.Therefore, a systematic theoretical approach is indispensable in advancing our understanding in this field.To understand more about the carbides and their hydrogen trapping properties, firstly, we undertake a systematic exploration of key carbide types with exceptional hydrogen-trapping capabilities yet remaining inadequately studied from experiments.Secondly, we explored carbide morphologies between two distinct high-strength steels materials with different resistance to hydrogen embrittlement.This comprehensive analysis enhances our understanding of secondary carbides in steels and their potential role in hydrogen II embrittlement in high strength steels.For the first part of our study, we focus on binary V/Nb-containing carbides for investigations.Our research employs a combination of the cluster expansion algorithms and Density Functional Theory (DFT) method to provide a comprehensive understanding of these carbides, particularly in relation to sub-stoichiometry induced by carbon vacancies within the carbide structures.These vacancies play an important role in the irreversible trapping of hydrogen atoms yet not thoroughly understood.Our predictions of V/Nb compounds align with experimental observations, and we have further validated these predictions through bulk modulus calculations.We have also identified a correlation between vacancy concentrations and the elastic moduli, which can be attributed to bond replacements.The vacancies within different carbides exhibit specific patterns, driven by elastic interactions between vacancies.Our findings offer valuable insights into the physical and mechanical properties of carbides, shedding light on their sub-stoichiometry.Following our investigation, we delved into the hydrogen trapping energies within various V/Nb carbides.Our research unveiled a notable phenomenon: carbides with carbon vacancies exceeding a certain threshold exhibit considerably stronger hydrogen trapping capabilities.After closer examination, we identified that the hydrogen trapped within these carbides forms covalent bonds with neighboring V/Nb atoms, and the trapping energies exhibit a linear correlation with the strength of these bonds.Furthermore, our analysis revealed that the accumulation of vacancies in different carbides can significantly reduce hydrogen diffusion barriers within their structures.Consequently, this accumulation of vacancies has the potential to further enhance the hydrogen trapping capacity by lowering the energy barriers.Therefore, III the accumulation of vacancies in specific carbides has the dual effect of augmenting both trapping strength and trapping capacity.This, in turn, increase the hydrogen embrittlement resistance of high-strength steels with these certain carbide precipitates.As we pursued our research path, we discovered that Mo could substitute Ti/V/Nb atoms within those carbides, forming alloy carbides, further enhancing strength and H trapping capacity.To gain deeper insights into these intricate carbide structures, we devised a workflow that combines Density Functional Theory (DFT) calculations with Machine Learning (ML) regressions to predict stable alloy compounds.After investigating 3,477,168 structures, remarkably, we found that alloy carbides with a substantial concentration of vacancies can indeed exist in stable states.Subsequently, we delved into the study of hydrogen trapping energies within these alloy compounds.Our investigations revealed a noteworthy outcome: among the three types of alloy compounds considered, those Mo-containing Ti carbides exhibited the most robust hydrogen trapping abilities.This finding positions Ti-containing compounds as promising candidates for mitigating hydrogen embrittlement in high-strength low alloy steels.To gain a deeper understanding of carbides in steels, we investigated carbide morphologies in two high-strength steel microstructures: tempered martensite (TM) and lower bainite (LB).Despite their microstructural similarity, they differ in hydrogen embrittlement resistivity, often attributed to carbides.Traditional carbide investigations are qualitative, so we developed a deep learning model achieving 98% accuracy in carbide/iron matrix classification at a pixel level for later quantitative analyzations.Our analysis found comparable carbide volume percentages in lower bainite and tempered martensite, but lower bainite exhibited more uniform distribution IV and slightly better alignment.Aspect ratios and sizes were similar, with lower bainite having a slightly higher aspect ratio and tempered martensite having slightly smaller carbides.While carbides in lower bainite showed better alignment, overall, carbide orientation in both microstructures appeared scattered, lacking a distinct pattern. V RésuméLes aciers à haute résistance (HSS) sont le socle de diverses industries, grâce à leurs impressionnants rapports résistance-poids, qui offrent le potentiel de renforcer la résistance tout en réduisant simultanément le poids, ouvrant ainsi la voie à la réduction des émissions de gaz à effet de serre.Cependant, la recherche d'aciers d'une résistance exceptionnelle est confrontée à un défi majeur sous la forme d'hydrogénation.Ce phénomène révèle que l'infiltration d'hydrogène peut entraîner une dégradation mécanique des aciers, conduisant finalement à des défaillances prématurées.Plus la résistance des aciers est élevée, plus leur susceptibilité à l'hydrogénation est grande.Les précipités secondaires, y compris les carbures, au sein des aciers à haute résistance (HSS), ont le potentiel d'augmenter significativement la résistance des matériaux et de réduire leur susceptibilité à l'hydrogénation.Cependant, les capacités de piégeage de l'hydrogène et les propriétés des différents carbures demeurent insuffisamment comprises.Bien que les types et les compositions des carbures influencent indubitablement cet aspect, mener des expériences exhaustives pour évaluer les capacités de piégeage de l'hydrogène de tous les composés potentiels est une tâche redoutable.Par conséquent, une approche théorique systématique est indispensable pour faire progresser notre compréhension dans ce domaine.Pour mieux comprendre les carbures et leurs propriétés de piégeage de l'hydrogène, nous entreprenons d'abord une exploration systématique des principaux types de carbures présentant VI des capacités exceptionnelles de piégeage de l'hydrogène, mais qui n'ont pas encore été suffisamment étudiés par des expériences.Deuxièmement, nous avons exploré les morphologies des carbures entre deux matériaux aciers à haute résistance distincts présentant une résistance différente à l'hydrogène embrittlement.Cette analyse complète améliore notre compréhension des carbures secondaires dans les aciers et de leur rôle potentiel dans l'hydrogène embrittlement des aciers à haute résistance.Pour la première partie de notre étude, nous nous concentrons sur les carbures binaires contenant du V/Nb pour nos investigations.Notre recherche utilise une combinaison des algorithmes d'expansion de clusters et de la méthode de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour fournir une compréhension complète de ces carbures, en particulier en ce qui concerne la sous-stœchiométrie induite par des lacunes de carbone au sein des structures de carbure.Ces lacunes jouent un rôle important dans le piégeage irréversible des atomes d'hydrogène, mais ne sont pas encore complètement comprises.Nos prédictions concernant les composés V/Nb concordent avec les observations expérimentales, et nous avons en outre validé ces prédictions grâce à des calculs du module de compressibilité volumique.Nous avons également identifié une corrélation entre les concentrations de lacunes et les modules d'élasticité, qui peut être attribuée aux remplacements de liaisons.Les lacunes au sein de différents carbures présentent des motifs spécifiques, induits par des interactions élastiques entre les lacunes.Nos découvertes offrent des aperçus précieux sur les propriétés physiques et mécaniques des carbures, éclairant leur sous-stœchiométrie.Après notre enquête, nous nous sommes penchés sur les énergies de piégeage de l'hydrogène au sein de divers carbures de V/Nb.Notre recherche a révélé un phénomène notable : les VII carbures présentant des lacunes de carbone dépassant un certain seuil montrent des capacités de piégeage de l'hydrogène considérablement plus élevées.Après un examen plus approfondi, nous avons identifié que l'hydrogène piégé à l'intérieur de ces carbures forme des liaisons covalentes avec les atomes voisins de V/Nb, et les énergies de piégeage présentent une corrélation linéaire avec la force de ces liaisons.De plus, notre analyse a révélé que l'accumulation de lacunes dans différents carbures peut réduire de manière significative les barrières de diffusi

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