15-5ph不锈钢的氢脆敏感性研究

15-5ph不锈钢的氢脆敏感性研究

15-5ph不锈钢是马氏体沉淀硬化的不锈钢。经过固溶和及时冷却后，它具有较高的强度、良好的耐候性和良好的耐腐蚀性。目前已知，钢铁材料的氢脆敏感性随强度的提高急剧增加，特别是当抗拉强度超过1000MPa后，氢脆几乎是不可避免的破坏性因素1拉伸性能及微观组织分析本试验采用两种不同方法冶炼的15-5PH不锈钢，分别编号为1号钢和2号钢。1号试验钢采用真空感应(VIM)+真空自耗(VAR)的冶炼工艺，2号试验钢采用电炉+VOD+真空自耗(VAR)冶炼工艺，其化学成分见表1。两种试验钢化学成分差别不大。1号试验钢的原始H含量比2号试验钢低。两种试验钢棒材经加热锻造成ue788150mm的圆棒，加热到1038℃固溶，保温1h后空冷至室温32℃以下，再经过550℃时效4h后空冷至室温。在热处理后的圆棒料上沿纵向取缺口拉伸试样、夏比V型冲击试样(10mm×10mm×55mm)以及标准的ue7885mm拉伸试样。TDS分析试样为ue7885mm×25mm光滑圆棒，缺口慢拉伸试样的缺口根部半径(ρ)为0.15mm，相应的应力集中系数(K试验钢金相试样经苦味酸盐酸酒精溶液侵蚀后，在光学显微镜(OM)下观察微观组织。经过高锰酸钾硫酸溶液腐蚀后，使用Nano-Measurer软件统计晶粒大小，并按照GB/T6394—2017《金属平均晶粒度测定法》评定两种试验钢的晶粒度。通过夏比V型缺口冲击试验测得冲击吸收能量;标准拉伸试样在WE-300型试验机上进行试验，标距为25mm，应变速率为102结果与分析2.1试验钢的材料及力学性能由图1(a)和(b)可知，两种试验钢经固溶和时效处理后基体为板条马氏体，1号试验钢微观组织比2号细小。图1(c～d)是两种试验钢的晶粒尺寸。经统计，1号试验钢的平均晶粒尺寸为16.84μm,2号试验钢平均晶粒尺寸为25.62μm。按照GB/T6394—2017,1号试验钢晶粒度为8.5级，2号试验钢晶粒度为7.0级。1号试验钢原始奥氏体晶粒比2号试验钢细小，可能是因为1号试验钢Nb元素含量比2号多0.04%，加入微合金元素Nb，析出细小的Nb(C,N)颗粒，钉扎于晶界阻止晶粒长大，故能细化晶粒。晶粒细化使晶界塞积位错数量减少，相同变形条件下，变形分散在更多晶粒内进行，所以应力集中程度降低;此外，单位体积内晶界面增多，提供更多的可逆氢陷阱，降低钢中的氢浓度，降低了1号试验钢的氢脆敏感性。两种试验钢的力学性能如表2所示，2号试验钢强度略高于1号。15-5PH不锈钢添加了Nb、Cu合金元素，时效过程中形成Nb(C,N)、ε-Cu相细小的析出物，弥散分布，使15-5PH不锈钢的强度提高图2为(a～b)分别为1号和2号试验钢的马氏体板条TEM形貌，1、2号试验钢各自统计100个的马氏体板条宽度后，结果如图3所示。由图3可知，1号试验钢的马氏体板条宽度大部分集中在100～500nm之间，2号试验钢的马氏体板条宽度集中在300～500nm;由此可看出，1号试验钢的马氏体板条比2号试验钢细小，在相同体积内，1号试验钢的马氏体板条界面较2号试验钢多，相界面捕获的氢较少，提高了钢的延迟断裂能力。由于15-5PH高强度钢具有较强的组织敏感性，氢在马氏体中有较低的溶解度和较高的扩散速率，马氏体板条界面、马氏体-奥氏体界面都作为可逆氢陷阱2.2氢对氢的分布利用升温脱氢分析试验对15-5PH不锈钢中的氢陷阱行为进行研究。图4是15-5PH两种试验钢在相同充氢条件下氢的TDS(Thermaldesorptionspectroscopy)曲线。在加热速率Φ=100℃/h条件下，未充氢试样氢逸出峰很弱，很难看到，钢中的氢含量极少。1号和2号试验钢均小于1×10式(1)中:Φ为加热速率，K/h;T在钢中氢是不均匀分布的，氢浓度梯度和应力大小会影响氢在钢中的分布。氢向低浓度、高应力集中或者位错等缺陷处扩散、富集2.3试验波断口形貌图5和图6分别给出了在相同充氢制度下，15-5PH试验钢的缺口慢拉伸曲线和拉伸断口形貌。充氢制度:在0.1mol/LNaOH水溶液中进行电化学充氢，充氢电流密度8mA/cm相同充氢制度下，还可以用缺口拉伸强度损失率H图6(a～c)是1号试验钢未充氢缺口慢拉伸试样的断口形貌，图6(g～i)是2号试验钢未充氢时缺口慢拉伸试样的断口形貌。1号试验钢缺口根部和试样心部断口形貌，均存在大量的韧窝，为典型的韧性断裂方式，如图6(b～c)所示。图6(h～i)分别为2号试验钢缺口根部和试样心部断口形貌，均有小解理面和小而浅的韧窝存在。电化学充氢后，1号和2号试验钢宏观断口形貌分别如图6(d,j)所示，两种试验钢的宏观断口均存在两个不同特征的区域，缺口根部呈现结晶状，试样心部呈现纤维状。缺口根部区域的微观形貌均呈现沿晶断裂，晶粒轮廓明显，且1号试验钢晶粒尺寸较小，晶粒上有典型的氢脆特征的“鸡爪花样”和二次裂纹。1号试验钢慢拉伸试样断口中心部位的微观形貌呈韧窝型断裂特征(见图6(f));2号试验钢慢拉伸试样断口心部微观形貌，呈现“河流花样”和少量浅韧窝。经对比发现，未充氢时，1号试验钢缺口根部和试样心部断口均呈现韧窝断裂特征，2号试验钢缺口根部和试样心部呈现准解理断裂特征。电化学充氢后，两种试验钢缺口根部均呈现沿晶断裂，充入的氢降低了奥氏体晶界的结合力和马氏体板条界的结合力，分别导致试样呈现沿晶断裂和准解理断裂形貌;充入的氢大多集中在试样表面，心部含氢量很少，试样心部的断裂方式并没有很大变化。3铸造、热处理及微合金化1)经电化学充氢后，两种冶炼工艺的15-5PH不锈钢引入一定量的可扩散氢;在不同加热速率下，经计算，两种15-5PH试验钢充入的可扩散氢均位于晶界、位错处。在应力作用下可动位错载氢运动到晶界和马氏体板条界处，容易引起裂纹形核、扩展并导致开裂。合理的锻造、热处理工艺及微合金化使晶粒和组织细化，能有限地降低15-5PH不锈钢的氢脆敏感性。2)两种冶炼工艺的15-5PH不锈钢中，真空感应(VIM)+真空自耗(VAR)试验钢奥氏体含量约为电炉+VOD+真空自