0Cr16Ni5Mo材料氫脆試驗(yàn)研究

謝清程，楊文凱，史俊武，鄭文杰

（1．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031；2．鋼鐵研究總院，北京 100081）

0 引言

0Cr16Ni5Mo不銹鋼是瑞典、德國(guó)等國(guó)在0Cr13Ni5Mo不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的鋼種[1]，是一種典型的高強(qiáng)馬氏體時(shí)效鋼，不但具有優(yōu)良的強(qiáng)度和較好的塑韌性，而且疲勞性能和腐蝕疲勞性能比304、316、17-4PH、1Cr17Ni2等不銹鋼優(yōu)異[2-4]，作為調(diào)距槳連接螺栓在海洋中使用比較廣泛。

某船調(diào)距槳連接螺栓在使用多年后的維修中，發(fā)現(xiàn)部分螺栓出現(xiàn)裂紋。而國(guó)外進(jìn)口的同種材料在相同的環(huán)境使用條件下工作十幾年后卻未出現(xiàn)類似問(wèn)題。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致螺栓失效的主要原因是在有陰極保護(hù)及海水環(huán)境中，螺栓產(chǎn)生析氫，氫致裂紋快速擴(kuò)展，導(dǎo)致了螺栓的失效。由于馬氏體時(shí)效鋼固有的特性，容易產(chǎn)生氫脆，但其成分與熱處理工藝對(duì)其氫致敏感性有很大的影響，合理的成分與工藝能夠延長(zhǎng)材料的壽命。

本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)鋼0Cr16Ni5Mo的抗氫滲透行為進(jìn)行對(duì)比研究，比較其抗斷裂能力的優(yōu)劣，同時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)不同熱處理制度獲得的不同強(qiáng)度國(guó)產(chǎn)鋼進(jìn)行抗氫脆研究，比較0Cr16Ni5Mo不同時(shí)效處理后的抗氫脆能力，試驗(yàn)研究表明經(jīng)過(guò)淬火 500℃回火、550℃回火后的試樣抗氫脆能力較好。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料化學(xué)成分及熱處理狀態(tài)

表1是某型船進(jìn)口調(diào)距槳連接螺栓（舊、新）和國(guó)產(chǎn)螺栓的材料化學(xué)成分分析結(jié)果及0Cr16Ni5Mo的化學(xué)成分規(guī)范要求。由表1可以看出，進(jìn)口螺栓主要合金元素含量基本與國(guó)產(chǎn)螺栓一致，但國(guó)外螺栓中微量雜質(zhì)元素P、S的含量明顯高于國(guó)產(chǎn)螺栓。

表1 材料化學(xué)成分分析結(jié)果及技術(shù)條件規(guī)定要求對(duì)照（單位：W/(%)）

在調(diào)距槳連接螺栓分析報(bào)告中[5]，對(duì)進(jìn)口螺栓和國(guó)產(chǎn)螺栓材料在不同回火溫度下的金相組織及顯微維氏硬度進(jìn)行了分析，分析得出進(jìn)口螺栓材料實(shí)際回火溫度不低于 500℃，但低于 550℃。與進(jìn)口螺栓對(duì)比看出，國(guó)產(chǎn)螺栓使用狀態(tài)的硬度明顯高于進(jìn)口螺栓，其回火處理溫度應(yīng)該是在400～500℃℃之間，但是低于500℃。500℃及550℃回火后，由于細(xì)小碳化物沿回火馬氏體板條析出，使得回火馬氏體的板條組織形貌更加清晰。較高的回火溫度在降低材料強(qiáng)度的同時(shí)，可明顯降低馬氏體不銹鋼的氫脆敏感性。

選取表2中材料熱處理制度試樣進(jìn)行抗氫脆性能試驗(yàn)研究。評(píng)定氫脆的試驗(yàn)方法主要有彎曲試驗(yàn)法、斷面收縮率比較法、慢應(yīng)變速率法、氫滲透法。本文試驗(yàn)研究采用慢應(yīng)變速率法和氫滲透法。

表2 試樣熱處理制度表

1.2 充氫慢拉伸試驗(yàn)

將線切割的啞鈴形試樣片用水砂紙逐級(jí)打磨至600#，丙酮除油后，用鉛筆在試樣上標(biāo)距30mm，準(zhǔn)確測(cè)量試樣標(biāo)距內(nèi)的尺寸。用HZ704粘合劑封住試樣的標(biāo)距以外部分（見(jiàn)圖1），以防止腐蝕介質(zhì)腐蝕標(biāo)距以外部分。再用HZ704粘合劑將試樣下部與容器粘牢（見(jiàn)圖2）。拉伸時(shí)的環(huán)境介質(zhì)包括：快速滲氫液H2SO40.5mol/L、少量As2O3、海水（取自大連）和5%NaCl。用WDML-1型微機(jī)控制慢應(yīng)變速率試驗(yàn)機(jī)，加200mA/cm2的電流（在5%NaCl中加-1VSCE的電位）預(yù)充氫4h后，以0.003mm/min的速率進(jìn)行慢拉伸試驗(yàn)（充氫不停止）（見(jiàn)圖3）。同時(shí)做未充氫試樣的空白試驗(yàn)。

圖1 試樣標(biāo)距、封護(hù)后照片

圖2 試樣與容器粘合后的照片

圖3 滲氫拉伸時(shí)的照片

1.3 滲氫及析氫量測(cè)試

試樣為φ5mm×50mm的鋼棒，在一端焊接上銅導(dǎo)線，兩端用環(huán)氧樹(shù)脂封固，進(jìn)行充氫試驗(yàn)：充氫介質(zhì)分別為快速滲氫液、海水（取自大連）和5%NaCl水溶液。快速滲氫液為H2SO40.5mol/L和少量As2O3水溶液。充氫電流密度為-200mA/cm2，充氫時(shí)間分別為70min、480min和5d，充氫結(jié)束后，取出鋼棒，立即放在盛滿硅油的量筒中，量筒倒置24h，以檢測(cè)鋼棒析出氫氣的體積（見(jiàn)圖4）。

圖4 析氫量測(cè)試圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 試樣在不同介質(zhì)中斷裂伸長(zhǎng)率比較

圖6 試樣在不同介質(zhì)中抗拉強(qiáng)度比較

從圖5可以看出，試樣的斷裂伸長(zhǎng)率前后數(shù)據(jù)規(guī)律性不強(qiáng)，原因之一是試樣的斷裂伸長(zhǎng)率都很小，甚至有的延伸率在測(cè)量的誤差偏差范圍內(nèi)，就造成了結(jié)果較大偏差。

材料滲氫后的強(qiáng)度損傷率能夠反映不同熱處理狀態(tài)下，其材料由于析氫造成的強(qiáng)度損傷程度，同時(shí)也能對(duì)材料的析氫能力進(jìn)行比較，預(yù)估其使用壽命。由于在5%NaCl的滲氫時(shí)產(chǎn)生大量的氯氣，采用了恒電位的滲氫方式，因此不同滲氫方式的強(qiáng)度損傷率不能進(jìn)行比較，但這種滲氫方式與實(shí)際使用環(huán)境條件更接近。

從圖5和圖6中可以看出，空拉試驗(yàn)時(shí)試樣A的抗拉強(qiáng)度最大，試樣的抗拉強(qiáng)度從大到小依次為A＞AB＞AA＞AC＞B＞AD，其中AA、AB相差不大，B、AD相差不大，斷裂伸長(zhǎng)率從大到小的順序?yàn)锳B＞AD＞AA＞AC＞B＞A，試樣都表現(xiàn)為韌性斷裂，試樣的強(qiáng)度和塑性反應(yīng)了材料在空氣環(huán)境下熱處理對(duì)材料強(qiáng)度和塑性的影響。

從圖7至圖9可知，試樣在快速滲氫液、海水中同時(shí)加-200mA/cm2的恒電流條件下，在5%NaCl溶液中同時(shí)加-1.00VSCE恒電位條件下，抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率變化規(guī)律基本一致，即試樣的抗拉強(qiáng)度損傷率規(guī)律為，原始狀態(tài)和 450℃下?lián)p傷率最大，國(guó)產(chǎn)試樣 500℃和 550℃與進(jìn)口試樣的強(qiáng)度損傷率較小。

圖7 試樣在快速滲氫液滲氫后的強(qiáng)度損傷率比較

圖8 試樣在海水中滲氫后的強(qiáng)度損傷率比較

圖9 試樣在5%NaCl溶液中滲氫后的強(qiáng)度損傷率比較

2.2 滲氫及析氫量測(cè)試

本文僅給出快速滲氫液中滲70min后，各試樣滲入又析出的自由氫量（見(jiàn)圖10）。

國(guó)產(chǎn)試樣經(jīng)過(guò)熱處理的比沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱處理的滲入且析出的自由氫量要少，其中回火溫度為450℃的 AB棒析出的自由氫量最小，但比進(jìn)口試樣高22.6%。從圖10可以看出，進(jìn)口試樣的自由氫含量要低于國(guó)產(chǎn)材料在不同熱處理狀態(tài)下的自由氫的含量。

圖10 試樣在滲氫液中的滲入且析出的氫體積比較

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)調(diào)距槳連接螺栓用0Cr16Ni5Mo材料進(jìn)行了不同溫度的熱處理試驗(yàn)，滲氫液、海水及5%NaCl介質(zhì)下的慢拉伸、析氫量測(cè)試等試驗(yàn)，研究了國(guó)內(nèi)材料不同熱處理制度下及進(jìn)口螺栓實(shí)物取樣材料下的氫損傷后相關(guān)機(jī)械性能的下降情況，氫擴(kuò)散、滲透性能，可得熱處理制度對(duì)抗氫脆性能影響很大，國(guó)產(chǎn)試樣A抗氫脆能力小于國(guó)外試樣B，經(jīng)過(guò)淬火500℃回火AC、550℃回火后的AD試樣抗氫脆能力較好，但仍低于國(guó)外試樣，這可能與材料的化學(xué)成分、金相組織的差異等因素有關(guān)[4]。

[1]過(guò)潔, 龍友松.0Cr16Ni5Mo不銹鋼應(yīng)用特性的研究[J].大電機(jī)技術(shù), 2001(3): 44-47.

[2]陳繼志, 王嘉敏, 殷江寧, 等.0Cr16Ni5Mo不銹鋼疲勞性能研究[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2002(6): 6-10.

[3]易小冬, 謝清程, 陳繼志, 等.調(diào)距槳槳轂螺栓材料試驗(yàn)研究[J].船舶工程, 2005, 27(2): 36-40.

[4]陳繼志, 王嘉敏, 袁亞民.熱處理對(duì)0Cr16Ni5Mo鋼力學(xué)性能和組織的影響[R].2002.

[5]國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心分析報(bào)告[R].2009.