貝氏體鋼氫脆敏感性研究

任偉偉

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

鋼材中的氫主要是在熔煉和加工過程中由大氣或潮濕的爐料等物質(zhì)中吸入而溶解于鋼中,在鋼材服役的應(yīng)力梯度作用下氫易向高應(yīng)力區(qū)富集,且氫在材料中吸附、擴(kuò)散、富集并與顯微組織形成交互作用,以形成氫壓、弱化金屬原子鍵合力、降低表面能或促進(jìn)局部塑性變形等方式促使材料提前失效,發(fā)生脆性斷裂[1-4]。

氫在鋼材中的危害極大,各大鋼材生產(chǎn)廠家都竭力減少鋼材中的氫含量,但是降低鋼材中的氫含量,會增加工藝難度、工藝步驟等,使原材成本增加,生產(chǎn)周期延長?？荡箜w等[5]研究34CrNi3Mo,26Cr2Ni4MoV,30CrNiMoly的氫致脆化,結(jié)果表明鋼中含氫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不大于0.000 45%時,氫對上述3種鋼的強(qiáng)度極限和屈服極限無甚影響。鄭春雷等[6]研究了含W貝氏體鋼發(fā)生氫脆的臨界氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.000 07%,含Mo貝氏體鋼發(fā)生氫脆的臨界氫含量為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.000 06%。近年來鐵路轍叉普遍采用貝氏體合金鋼材料作為轍叉用鋼優(yōu)選材料,一種用于鐵路轍叉的新型貝氏體合金鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性結(jié)合,其氫脆敏感性未知,而氫脆對材料力學(xué)性能有重大影響,若鐵路用材中發(fā)生氫脆將產(chǎn)生嚴(yán)重的行車安全隱患,因此有必要研究該貝氏體合金鋼的氫脆敏感性,為合理制定該材料中的氫含量提供依據(jù),后續(xù)通過工藝手段控制鋼材中的氫含量,避免該貝氏體合金鋼在使用過程中產(chǎn)生氫脆。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 測定氫在貝氏體合金鋼中的擴(kuò)散速率

通過電化學(xué)方法測定氫在合金中的擴(kuò)散系數(shù)是一種合理表征氫擴(kuò)散能力的方法,其測試結(jié)果能反映氫的擴(kuò)散系數(shù)和氫含量的對應(yīng)關(guān)系。試驗采用由Devanathan和Stachurski[7]共同提出的電化學(xué)氫滲透技術(shù)測定氫在貝氏體合金鋼中的擴(kuò)散速率,為后續(xù)電化學(xué)充氫時間的制定提供依據(jù),具體實(shí)驗裝置如圖1所示。由一臺電化學(xué)工作站(CHI660D)、一臺恒流儀、一個參比電極(Hg/HgO/NaOH 0.1 mol/L)、兩個輔助電極(Pt電極)、電解槽和一臺計算機(jī)組成。

試樣尺寸35 mm×35 mm×2 mm,材質(zhì):貝氏體合金鋼。試樣依次經(jīng)過300目,800目,1 500目,2 000目的SiC砂紙打磨,然后用丙酮、酒精清洗干凈,自然晾干。再將試樣夾持在電解槽③和④的中間,試樣在電解槽③端和④端暴露的面積均為2.27 cm2。電解槽③為充氫端,電解槽④為逸氫端(見圖1)。試驗中充氫槽電解液為0.5 mol/L,H2SO4+0.1 g/L CN2H4S(硫脲),逸氫槽電解液為0.2 mol/L NaOH。在充氫之前首先施加一個恒定的陽極電位,相對于參比電極為0.3 V,使試樣中殘留的可擴(kuò)散氫全部電離成陽極殘余電流,當(dāng)電流小于1 μA時認(rèn)為試樣中的氫全部逸出。

氫在試樣中的擴(kuò)散系數(shù)(D)可以根據(jù)式(1)計算(Time-drag Method):

(1)

其中,L為試樣厚度,m;tL為對應(yīng)于it=0.63i∞的時間;i∞為電流與時間的關(guān)系曲線上對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流。

圖2為貝氏體合金鋼的氫滲透瞬態(tài)電流-時間曲線,采用Time-drag法計算氫在貝氏體合金鋼中的擴(kuò)散系數(shù)D,試驗結(jié)果見表1。

表1 貝氏體合金鋼氫滲透試驗結(jié)果

根據(jù)式(1)計算出氫在該材料中的擴(kuò)散系數(shù)D=5.2×10-11m2/s,然后將電解槽中溶液倒出,倒入充氫溶液充氫,充氫電流設(shè)定為40 mA/cm2,記錄陽極電流與時間的關(guān)系曲線。

根據(jù)測得的氫在試樣中的擴(kuò)散系數(shù),可以計算拉伸試樣電化學(xué)充氫所需要的最短時間。

根據(jù)實(shí)驗測得的氫的擴(kuò)散系數(shù)可以估算試樣充氫過程中達(dá)到平衡氫濃度所需的時間,計算公式如式(2)所示:

(2)

其中,t為試樣充氫過程中達(dá)到平衡氫濃度所需的時間;R為拉伸試樣標(biāo)距部分半徑,為2.5×10-3m;D為氫的擴(kuò)散系數(shù),貝氏體合金鋼中為5.2×10-11m2/s。

根據(jù)式(2)計算出的貝氏體合金鋼充氫過程中達(dá)到平衡氫濃度所需時間為4.01×104s,即約11 h。

1.2 貝鋼中氫濃度與電化學(xué)充氫電流之間的對應(yīng)關(guān)系

采用不同的充氫電流對試樣進(jìn)行充氫,檢測充氫后試樣中的實(shí)際氫含量,建立充氫電流與試樣中實(shí)際氫含量的對應(yīng)關(guān)系,為后續(xù)氫脆敏感性測試試樣中氫含量的控制提供指導(dǎo)和依據(jù)。

實(shí)驗采用堿性電解液進(jìn)行電化學(xué)充氫,電解液為0.2 mol/L NaOH+0.22 g/L硫脲,充氫試樣接負(fù)極,鉑片接正極。充氫試樣為新型貝氏體合金鋼熱處理后試塊,充氫試樣加工成φ5 mm的圓棒,充氫時間設(shè)定為24 h,可以認(rèn)為氫在該材料中達(dá)到平衡狀態(tài)。充氫完成后采用電鍍鎘防止試樣中氫逸出,電鍍時的電流密度為25 mA/cm2, 試樣為陽極, 鎘片為陰極,電鍍5 min即可起到防止氫擴(kuò)散逸出。實(shí)驗中分別采用0 mA/cm2,0.2 mA/cm2,0.5 mA/cm2,1.0 mA/cm2,3.0 mA/cm2,5.0 mA/cm2和10.0 mA/cm2的充氫電流密度對試樣進(jìn)行電化學(xué)充氫。充氫結(jié)束后檢測試樣中的實(shí)際氫含量,使用RH600氫測定儀,紅外吸收法檢測試樣中氫含量,經(jīng)過電化學(xué)充氫試驗,不同充氫電流密度充氫后試樣中對應(yīng)的氫含量見表2。

表2 充氫電流密度對應(yīng)氫含量

1.3 不同氫含量下貝鋼的力學(xué)性能

利用電化學(xué)充氫技術(shù)調(diào)控貝鋼拉伸試樣中氫含量(氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.000 09%,0.000 10%,0.000 11%,0.000 13%,0.000 15%,0.000 16%和0.000 21%,對應(yīng)的充氫電流密度分別為0 mA/cm2,0.2 mA/cm2,0.5 mA/cm2,1.0 mA/cm2,3.0 mA/cm2,5.0 mA/cm2和10.0 mA/cm2),然后采用慢速拉伸試驗(應(yīng)變速率2×10-5/s測定不同氫濃度下的拉伸試樣的力學(xué)指標(biāo),評定材料產(chǎn)生氫脆時的臨界氫含量,慢速拉伸試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同氫含量下貝鋼的拉伸力學(xué)性能結(jié)果(慢速拉伸)

2 貝鋼的氫脆敏感性評價

氫對合金性能的影響主要表現(xiàn)在合金中存在過量氫時的塑性降低,即產(chǎn)生塑性損減,充氫能使大多數(shù)工業(yè)上常用的金屬和合金的塑性指標(biāo)明顯下降,通常以合金塑性值(伸長率、斷面收縮率)的變化率來評價和比較實(shí)驗合金的抗氫脆性能[8]。本文的抗氫脆性能即氫脆敏感性用延伸率或斷面收縮率的損失率IA和IZ來表示,IA,IZ定義為:

(3)

(4)

其中,A0為不充氫試樣原始拉伸延伸率;AH為不同氫含量試樣慢速拉伸延伸率;Z0為不充氫試樣原始拉伸斷面收縮率;ZH為不同氫含量試樣慢速拉伸斷面收縮率;IA為延伸率損失率;IZ為斷面收縮率損失率。

根據(jù)表3的實(shí)驗結(jié)果并利用式(3)和式(4)計算不同氫含量下貝氏體合金鋼的延伸率損失率和斷面收縮率損失率,對應(yīng)貝氏體合金鋼的氫脆敏感性,計算結(jié)果見表4。

表4 不同氫含量下貝鋼的氫脆敏感性 %

從表4可以看出試件隨著氫含量的增加,其延伸率和斷面收縮率的損失率增加,兩者呈現(xiàn)正相關(guān),當(dāng)試樣中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.000 13%時,延伸率損失率和斷面收縮率損失率IA和IZ從1.17%和2.38%增加至5.17%和9.6%,當(dāng)氫含量達(dá)到0.000 15%時,其延伸率損失率和斷面收縮率損失率更是大幅增加。因此,當(dāng)試樣中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.000 13%時貝鋼表現(xiàn)出明顯的塑性損失,低于該含量時貝鋼的氫脆敏感性不明顯。

3 熱處理對鋼材中實(shí)際氫含量的影響

去氫退火是利用氫在α-Fe和γ-Fe中具有不同的溶解度和擴(kuò)散系數(shù),氫在α-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)比在γ-Fe中大的多,但氫在α-Fe中的溶解度更低,并且隨著溫度降低,氫在鋼中的溶解度急劇的降低[9],利用這些規(guī)律使鋼在鐵素體狀態(tài)下去氫,提高溫度增大擴(kuò)散系數(shù),保溫一定時間后,氫在鋼中呈過飽和狀態(tài),此時氫開始逸出,當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時停止逸出,此時降低溫度,使氫再次處于過飽和狀態(tài),氫繼續(xù)逸出,如此反復(fù)達(dá)到去氫目的。

氫的逸出伴隨加熱至高溫后的保溫和降溫,而正火熱處理與去氫工藝有相似之處,正火加熱冷卻過程如圖3所示,可能伴隨著鋼材的脫氫,因而可能會影響實(shí)際貝鋼轍叉中的氫含量,實(shí)驗測定了正火工藝過程對貝氏體合金鋼中氫含量變化的實(shí)際影響。實(shí)驗以新型貝氏體合金鋼的正火工藝進(jìn)行,將該合金鋼加熱至900 ℃奧氏體化保溫3 h,使材料心部達(dá)到奧氏體狀態(tài),然后出爐冷卻至常溫。在同一坯錠的同一截面位置處取正火前后的氫含量測定試塊,測定正火工藝對鋼材中氫含量的影響。實(shí)驗結(jié)果如表5所示,實(shí)驗測試的兩個試件經(jīng)正火后氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由0.000 14%降至0.000 11%和由0.000 14%降至0.000 12%,表明正火工藝可減小該鋼材中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.000 02%～0.000 03%。

表5 正火前后試樣中氫含量

4 結(jié)論

鋼材在熔煉及后續(xù)加工過程中會有氫溶解于鋼中,過量的氫會使鋼材在服役過程中發(fā)生氫脆,為避免鐵路用材產(chǎn)生氫脆危及行車安全,本文針對轍叉用新型貝氏體合金鋼材料進(jìn)行了氫脆敏感性研究:通過電化學(xué)充氫控制試件的氫含量,采用慢速拉伸測試不同氫含量試件的斷面收縮率和伸長率,然后采用伸長率損失率和斷面收縮率損失率來評價其氫脆敏感性;該貝氏體合金鋼的正火工藝與去氫退火工藝及原理有相似之處,檢測了該貝氏體合金鋼材料相同坯錠的相同截面在正火熱處理前后的氫含量,得出以下結(jié)論:

1)試驗表明該新型貝氏體合金鋼的氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.000 13%時伸長率和斷面收縮率快速下降,得出該新型貝氏體合金鋼的臨界氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是0.000 13%,為鐵路轍叉貝氏體鋼材料控制氫含量指標(biāo)提供參考。

2)正火熱處理工藝可以降低該貝氏體合金鋼中的氫含量0.000 02%～0.000 03%,為控制該貝氏體合金鋼中氫含量的方法提供參考。