不銹鋼微觀組織結構對其氫脆性能的影響

1、不銹鋼微觀組織結構對其氫脆性能的影響不銹鋼以其良好的機械性能、抗腐蝕性能以及焊接性能從而被運用于各種工業(yè)領域。然而在不銹鋼生產(chǎn)過程或者服役過程中不可避免地會引入氫，從而導致不銹鋼發(fā)生氫脆開裂。穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼通常具有較高的抗氫脆性能，但是其制造成本較高。銳含量較低的業(yè)穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼在熱充氫或者電化學充氫條件下，均顯示出一定的氫脆敏感性。同時奧氏體不銹鋼的強度較低,很難滿足工業(yè)應用中的強度設計要求。因此,如何提升業(yè)穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼強度的同時提升其抗氫脆性能成為一項具有挑戰(zhàn)的研究。此外，奧氏體不銹鋼在加工或服役期間在500C到850C停留會導致碳化物沿晶界的析出，稱為敏化。敏化不僅對奧氏體不銹鋼

2、的晶界腐蝕、應力腐蝕造成影響，同時也會影響奧氏體不銹鋼的氫脆抗性。馬氏體不銹鋼的強度一般高于奧氏體不銹鋼，但其抗氫脆性能一般低于奧氏體不銹鋼。因此，能否在馬氏體不銹鋼中引入奧氏體來提升馬氏體不銹鋼的氫脆抗性也值得探究。本文以商用304奧氏體不銹鋼和S4150g氏體不銹鋼為研究對象，采用微觀觀察、統(tǒng)計分析、原位充氫拉伸及氫擴散等方法手段研究了晶粒尺寸、納米孚晶和敏化處理對304不銹鋼氫脆敏感性的影響，以及逆變奧氏體對S4150g氏體不銹鋼氫脆敏感性的影響。主要研究進展如下:通過冷軋與退火的方法制備了不同晶粒尺寸（4mm到12mm）的304奧氏體不銹鋼。氫脆敏感性實驗表明晶粒細化不僅增加了304奧

3、氏體不銹鋼的強度，同時也提升了其氫脆抗性。對充氫拉伸樣品進行EBSD-KA阱析發(fā)現(xiàn)晶粒細化有效地緩解了拉伸過程中的應變局部化，從而提升了材料的抗氫脆性能。XRD吉果表明晶粒尺寸對304奧氏體不銹鋼充氫拉伸過程中馬氏體轉變的量沒有影響。氫擴散實驗結果表明隨著晶粒細化,304奧氏體不銹鋼的氫擴散系數(shù)先升高后降低，這主要是由于氫在材料中的擴散受控于氫原子沿晶界的快速擴散及材料內(nèi)部位錯對氫的捕獲。晶粒細化雖然可以提升材料強度和抗氫脆性能,但是當晶粒細化到納米級別時會出現(xiàn)嚴重的塑性損失。本文選用納米孚晶組織來強化304不銹鋼，同時研究了其對304不銹鋼氫脆性能的影響。結果表明具有41蠣內(nèi)米孚晶組織、32

4、洲結晶晶粒和27咐錯結構的納米孚晶304不銹鋼不僅擁有較高的強度及良好的塑性，同時具備良好的抗氫脆性能。充氫導致納米孚晶304不銹鋼屈服強度降低12.5%，抗拉強度降低5.4%，這主要是因為氫促進了位錯與孚晶界之間的反應。同時，充氫導致納米孚晶304斷口處馬氏體含量降低41%雖然充氫抑制了馬氏體轉變，但是充氫對納米孚晶304不銹鋼的加工硬化性能卻沒有影響，這主要是因為氫原子促進位錯與孚晶界反應并生成了大量的不全位錯，這些不全位錯為材料貢獻了額外的加工硬化性能。納米孚晶304不銹鋼中束狀的納米孚晶以及細小的再結晶晶粒有效地緩解了氫致局部塑性變形，從而有效地提升了其氫脆抗性。304不銹鋼經(jīng)過在65

5、0C敏化處理24h后，在晶界上析出了與基體保持cube-cube關系的碳化物。氫脆敏感性實驗表明，敏化處理大大降低了304不銹鋼的氫脆抗性。用TEM觀察了充氫拉伸10%勺敏化態(tài)304不銹鋼，結果表明馬氏體優(yōu)先在晶界碳化物周圍形核。這主要是由于氫在碳化物與基體之間富集，降低了層錯能以及促進了應力集中，從而有利于馬氏體的形核與長大。充氫導致敏化態(tài)304不銹鋼沿晶開裂，且其沿晶斷口上存在滑移帶與撕裂脊形貌，這與位錯在晶界附近由于氫局部富集而發(fā)生的局部滑移有關。通過不同的熱處理方法制備了兩種含有不同含量逆變奧氏體的S41500馬氏體不銹鋼。氫脆敏感性實驗表明，隨著逆變奧氏體含量的增加，S41500馬氏體不銹鋼的氫脆敏感性降低。充氫導致S41500發(fā)生準解理開裂。用F舊在斷口準解理形貌處自上而下提取TEM羊品進行觀察，結果表明斷口附近的逆變奧氏體發(fā)生了馬氏體轉變，裂紋沿回火馬氏體板條界面、回火馬氏體和新形成的馬氏體界面擴展。三維原子探針結果表明，逆變奧氏體作為氫陷阱可以