低溫回轉(zhuǎn)馬氏體鋼的氫脆敏感性研究

低溫回轉(zhuǎn)馬氏體鋼的氫脆敏感性研究

經(jīng)過工藝火的低溫回火后，中低碳鋼板具有較大的強(qiáng)度和較高的耐候性。它通常用于生產(chǎn)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，如傳動(dòng)軸。為提高淬火低溫回火鋼的強(qiáng)度,一般通過增加其含碳量來實(shí)現(xiàn)。25CrNi2MoVNb鋼是在18Cr2Ni4W鋼的基礎(chǔ)上,通過增加碳含量、提高潔凈度和細(xì)化晶粒等方法實(shí)現(xiàn)從1300MPa級(jí)強(qiáng)度水平提高到1500MPa級(jí)。劉孝紅等研究發(fā)現(xiàn)25CrNi2MoVNb鋼的疲勞極限顯著高于18Cr2Ni4W鋼。經(jīng)淬火回火后使用的高強(qiáng)度馬氏體鋼通常有較高的氫脆敏感性,研究其氫脆敏感性對(duì)于保證其安全應(yīng)用非常必要。氫脆敏感性與氫在鋼中的擴(kuò)散密切相關(guān)。盡管有關(guān)高強(qiáng)度鋼氫脆敏感性的研究進(jìn)行了多年,但由于氫含量的精確測量較難,氫含量和材料強(qiáng)度及塑性之間的定量關(guān)系少見報(bào)導(dǎo),通常利用充氫條件如充氫時(shí)電流密度或氣體充氫時(shí)的氫分壓來代替氫含量。近年來,利用一種TDS升溫脫氫分析儀,使高強(qiáng)度鋼中氫的測量精度達(dá)到0.1×10-7。本文利用TDS(thermaldesorptionspectrometry)方法,結(jié)合慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)方法,研究氫在18Cr2Ni4W和25CrNi2MoVNb兩種淬火低溫回火馬氏體鋼中的擴(kuò)散行為及其氫脆敏感性。1試驗(yàn)材料和方法1.1棒料的制備和光冷試驗(yàn)鋼18Cr2Ni4W和25CrNi2MoVNb采用真空感應(yīng)爐+電渣重熔工藝冶煉,其化學(xué)成分見表1。25CrNi2MoVNb中P、S含量明顯低于18Cr2Ni4W,其潔凈度較高。試驗(yàn)鋼ue788110mm棒料經(jīng)加熱鍛造成ue78816mm的圓棒,并在670℃左右退火5h。25CrNi2MoVNb鋼在880℃奧氏體化,保溫0.5h后油淬,并在200℃回火2h后空冷。18Cr2Ni4W鋼在950℃正火,保溫0.5h后空冷,然后在850℃奧氏體化,保溫0.5h后水冷,并在200℃回火2h后空冷。在熱處理后的棒料上取縱向缺口拉伸試樣(圖1)、夏比V型和U型沖擊試樣(10mm×10mm×55mm)、以及ue7885mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。缺口拉伸試樣的缺口根部半徑(ρ)為0.15mm,相應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)為3.9。TDS分析試樣為ue7887mm×30mm的光滑圓棒。1.2拉伸性能試驗(yàn)試驗(yàn)鋼金相試樣分別經(jīng)飽和苦味酸溶液和硝酸酒精溶液侵蝕后,在METAVAL型光學(xué)顯微鏡觀察晶粒尺寸和微觀組織特征,并用SISC-IAS圖像分析儀對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行評(píng)級(jí)(截點(diǎn)法),執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T6394-2002。通過夏比V型和U型缺口沖擊試驗(yàn)測定試驗(yàn)鋼的沖擊吸收功;標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在WE-300型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),標(biāo)距為25mm,應(yīng)變速率為10-2/s,以測定拉伸性能。缺口拉伸試樣在0.1mol/L的NaOH溶液中進(jìn)行陰極電化學(xué)充氫,所采用充氫電流密度為0.1~1mA/cm2,充氫時(shí)間為96h,充氫完畢后立刻取出進(jìn)行慢拉伸實(shí)驗(yàn)。室溫慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)在WDML-300kN型慢拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用的拉伸速率為0.005mm/min,相應(yīng)的應(yīng)變速率約為2.1×10-6/s。TDS試樣在0.1mol/L的NaOH水溶液中進(jìn)行電化學(xué)充氫,充氫電流密度為0.5~5mA/cm2,充氫時(shí)間為96h,充氫結(jié)束后立刻進(jìn)行TDS實(shí)驗(yàn)。TDS試驗(yàn)時(shí)加熱速率為100℃/h,將300℃以下析出的氫認(rèn)為是可擴(kuò)散氫。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1晶粒尺寸、力學(xué)性能與高溫圖2為試驗(yàn)鋼25CrNi2MoVNb和18Cr2Ni4W經(jīng)淬火和200℃回火后的微觀組織,可見二者均為細(xì)小的回火馬氏體。由圖2可以看出,25CrNi2MoVNb鋼的組織比18Cr2Ni4W鋼的細(xì)小。圖3為兩種試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸,25CrNi2MoVNb鋼的平均晶粒尺寸為5.5μm,而18Cr2Ni4W鋼為14μm。25CrNi2MoVNb鋼的平均晶粒尺寸明顯小于18Cr2Ni4W鋼,是因?yàn)?5CrNi2MoVNb鋼中添加微合金元素V和Nb,析出的(V,Nb)C等顆粒相釘扎在晶界,阻止晶粒長大。兩種試驗(yàn)鋼熱處理后的力學(xué)性能如表2所示。25CrNi2MoVNb鋼的抗拉強(qiáng)度比18Cr2Ni4WA鋼高出300MPa,其屈服強(qiáng)度也高出250MPa。淬火低溫回火鋼的強(qiáng)度主要和碳含量有關(guān),較高的碳含量是25CrNi2MoVNb鋼具有高強(qiáng)度的主要原因;此外,通過采用V、Nb微合金化,其原奧氏體晶粒顯著細(xì)化,對(duì)強(qiáng)度的提高也具有一定的貢獻(xiàn)。從表2還可以看出,兩種試驗(yàn)鋼的沖擊吸收功相當(dāng)。25CrNi2MoVNb鋼的細(xì)晶粒和高潔凈度是其在較高強(qiáng)度下仍保持較好韌性的主要原因。2.2氫在18cr2ni4w和25crni2movnb鋼中的擴(kuò)散圖4給出了試驗(yàn)鋼18Cr2Ni4W和25CrNi2MoVNb未充氫、充氫96h、充氫96h后放置1天、以及充氫96h后放置32天后的TDS分析曲線。在加熱速率為100℃/h的條件下,未充氫試樣TDS曲線只有一個(gè)很小的氫析出峰,位于400℃左右,對(duì)應(yīng)的氫含量為0.7×10-7,為不可擴(kuò)散氫。與未充氫試樣相比,充氫后試樣的TDS曲線增加了一個(gè)氫析出峰,位于180℃左右,這部分氫在室溫下放置時(shí)能逐漸從試樣中析出。在同樣充氫96h的情況下,25CrNi2MoVNb鋼中位于180℃左右的峰值明顯高于18Cr2Ni4W鋼,說明氫在18Cr2Ni4W鋼中的擴(kuò)散慢于25CrNi2MoVNb鋼,且位于180℃左右的峰值隨著放置時(shí)間的增加而降低,直至最后與未充氫曲線重合。從圖4中還可以看出,25CrNi2MoVNb鋼和18Cr2Ni4W鋼未充氫試樣和充氫96h后放置32天試樣的TDS分析曲線基本重合,說明放置32天后25CrNi2MoVNb鋼可擴(kuò)散的氫全部逸出。未充氫試樣的TDS曲線與經(jīng)充氫96h后放置32天后的TDS分析曲線基本重合,說明可擴(kuò)散氫的充入和逸出是個(gè)可逆的過程。由此可見,試驗(yàn)鋼TDS分析曲線180℃左右峰值對(duì)應(yīng)鋼中的可擴(kuò)散氫。研究表明,氫致斷裂過程與局部氫濃度密切相關(guān)。對(duì)于可擴(kuò)散氫而言,其局部濃度不僅取決于其平均含量,而且取決于擴(kuò)散過程。因此,研究可擴(kuò)散氫在試驗(yàn)鋼中的擴(kuò)散過程顯得尤為重要。圖5為試驗(yàn)鋼在0.1mol/L的NaOH溶液中充氫96h后室溫下放置,鋼中可擴(kuò)散氫含量Ct隨放置時(shí)間t的變化關(guān)系?？梢?試驗(yàn)鋼中的可擴(kuò)散氫含量隨放置時(shí)間的延長而下降,并且下降速率趨緩,當(dāng)放置時(shí)間大于196h后,試驗(yàn)鋼中可擴(kuò)散氫含量基本穩(wěn)定在0.5×10-7左右不再變化。CarneiroFilho等通過圓柱試樣充氫后室溫放置時(shí)氫含量下降規(guī)律研究了氫在鋼中的擴(kuò)散。氫在鋼中的擴(kuò)散方程為:其中,Ct為t時(shí)刻鋼中可擴(kuò)散氫含量,C∞為試驗(yàn)鋼中t=∞時(shí)刻的可擴(kuò)散氫含量,C0為試樣鋼中t=0時(shí)刻的可擴(kuò)散氫含量,d為試樣直徑,D為氫在試驗(yàn)鋼中的擴(kuò)散系數(shù)。將18Cr2Ni4W鋼和25CrNi2MoVNb鋼的試驗(yàn)結(jié)果代入公式(1),回歸分析結(jié)果如圖5所示,可知?dú)湓?8Cr2Ni4W鋼和25CrNi2MoVNb鋼中的擴(kuò)散系數(shù)分別為3.99×10-7cm2/s和7.87×10-7cm2/s。由此可見,氫在25CrNi2MoVNb鋼中的擴(kuò)散明顯高于18Cr2Ni4W鋼,其擴(kuò)散系數(shù)之間是大約2倍的關(guān)系。2.3crni2movnb鋼的缺口拉伸強(qiáng)度圖6為25CrNi2MoVNb鋼與18Cr2Ni4W鋼缺口拉伸強(qiáng)度與可擴(kuò)散氫含量之間的關(guān)系。試驗(yàn)鋼在不同充氫電流密度(J)下充氫96h后采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)方法測得的缺口拉伸強(qiáng)度σNB。從圖6可以看出,兩種試驗(yàn)鋼的缺口拉伸強(qiáng)度都隨著材料中可擴(kuò)散氫含量的增加而降低。對(duì)于未充氫試樣,兩種試驗(yàn)鋼的缺口拉伸強(qiáng)度都在2200MPa左右,且差別不大。充氫后即使在很低的可擴(kuò)散氫含量下,試樣的缺口拉伸強(qiáng)度都大幅度下降。從圖6中還可以看出,在可擴(kuò)散氫含量相同的條件下,25CrNi2MoVNb鋼的缺口拉伸強(qiáng)度低于18Cr2Ni4W鋼,此時(shí)25CrNi2MoVNb鋼的缺口拉伸強(qiáng)度的下降幅度比18Cr2Ni4W鋼大,說明25CrNi2MoVNb鋼的氫脆敏感性較高。另一方面,王毛球等的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)充氫試樣中的可擴(kuò)散氫含量超過一個(gè)臨界值后,其缺口拉伸強(qiáng)度與可擴(kuò)散氫含量之間存在冪函數(shù)關(guān)系,此時(shí)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中缺口拉伸強(qiáng)度隨可擴(kuò)散氫含量增加直線下降。從圖6中可以推知,25CrNi2MoVNb鋼缺口拉伸性能不下降的臨界氫含量約為0.5×10-7,而18Cr2Ni4W的臨界氫含量約為0.22×10-6。從臨界氫含量也可以看出,25CrNi2MoVNb鋼的氫脆敏感性比18Cr2Ni4W高。研究表明,高強(qiáng)度鋼的氫致斷裂與應(yīng)力集中和氫的擴(kuò)散富集密切相關(guān),當(dāng)局部氫含量和應(yīng)力值達(dá)到臨界值時(shí)就會(huì)發(fā)生氫致延遲斷裂。25CrNi2MoVNb鋼中氫的擴(kuò)散系數(shù)約是18Cr2Ni4W鋼中的2倍,氫的擴(kuò)散富集更容易進(jìn)行,這是25CrNi2MoVNb鋼的氫脆敏感性更高的一個(gè)重要原因。由此可見,要改善回火馬氏體鋼的氫脆敏感性,僅靠細(xì)化晶粒和提高潔凈度不夠,有必要控制氫在其中的擴(kuò)散行為。3材料的擴(kuò)散氫1)25CrNi2MoVNb鋼和18Cr2Ni4W鋼經(jīng)淬火低溫回火后獲得細(xì)小馬氏體組織,抗拉強(qiáng)度分別高于1500MPa和1300MPa,且二者均有較高的沖擊韌性;2)經(jīng)電化學(xué)充氫后,試驗(yàn)鋼25CrNi2MoVNb和18