低温回转马氏体钢的氢脆敏感性研究

低温回转马氏体钢的氢脆敏感性研究

经过工艺火的低温回火后，中低碳钢板具有较大的强度和较高的耐候性。它通常用于生产高强度结构，如传动轴。为提高淬火低温回火钢的强度,一般通过增加其含碳量来实现。25CrNi2MoVNb钢是在18Cr2Ni4W钢的基础上,通过增加碳含量、提高洁净度和细化晶粒等方法实现从1300MPa级强度水平提高到1500MPa级。刘孝红等研究发现25CrNi2MoVNb钢的疲劳极限显著高于18Cr2Ni4W钢。经淬火回火后使用的高强度马氏体钢通常有较高的氢脆敏感性,研究其氢脆敏感性对于保证其安全应用非常必要。氢脆敏感性与氢在钢中的扩散密切相关。尽管有关高强度钢氢脆敏感性的研究进行了多年,但由于氢含量的精确测量较难,氢含量和材料强度及塑性之间的定量关系少见报导,通常利用充氢条件如充氢时电流密度或气体充氢时的氢分压来代替氢含量。近年来,利用一种TDS升温脱氢分析仪,使高强度钢中氢的测量精度达到0.1×10-7。本文利用TDS(thermaldesorptionspectrometry)方法,结合慢应变速率拉伸试验方法,研究氢在18Cr2Ni4W和25CrNi2MoVNb两种淬火低温回火马氏体钢中的扩散行为及其氢脆敏感性。1试验材料和方法1.1棒料的制备和光冷试验钢18Cr2Ni4W和25CrNi2MoVNb采用真空感应炉+电渣重熔工艺冶炼,其化学成分见表1。25CrNi2MoVNb中P、S含量明显低于18Cr2Ni4W,其洁净度较高。试验钢ue788110mm棒料经加热锻造成ue78816mm的圆棒,并在670℃左右退火5h。25CrNi2MoVNb钢在880℃奥氏体化,保温0.5h后油淬,并在200℃回火2h后空冷。18Cr2Ni4W钢在950℃正火,保温0.5h后空冷,然后在850℃奥氏体化,保温0.5h后水冷,并在200℃回火2h后空冷。在热处理后的棒料上取纵向缺口拉伸试样(图1)、夏比V型和U型冲击试样(10mm×10mm×55mm)、以及ue7885mm的标准拉伸试样。缺口拉伸试样的缺口根部半径(ρ)为0.15mm,相应的应力集中系数(Kt)为3.9。TDS分析试样为ue7887mm×30mm的光滑圆棒。1.2拉伸性能试验试验钢金相试样分别经饱和苦味酸溶液和硝酸酒精溶液侵蚀后,在METAVAL型光学显微镜观察晶粒尺寸和微观组织特征,并用SISC-IAS图像分析仪对晶粒尺寸进行评级(截点法),执行标准为GB/T6394-2002。通过夏比V型和U型缺口冲击试验测定试验钢的冲击吸收功;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10-2/s,以测定拉伸性能。缺口拉伸试样在0.1mol/L的NaOH溶液中进行阴极电化学充氢,所采用充氢电流密度为0.1~1mA/cm2,充氢时间为96h,充氢完毕后立刻取出进行慢拉伸实验。室温慢应变速率拉伸实验在WDML-300kN型慢拉伸试验机上进行,采用的拉伸速率为0.005mm/min,相应的应变速率约为2.1×10-6/s。TDS试样在0.1mol/L的NaOH水溶液中进行电化学充氢,充氢电流密度为0.5~5mA/cm2,充氢时间为96h,充氢结束后立刻进行TDS实验。TDS试验时加热速率为100℃/h,将300℃以下析出的氢认为是可扩散氢。2试验结果与分析2.1晶粒尺寸、力学性能与高温图2为试验钢25CrNi2MoVNb和18Cr2Ni4W经淬火和200℃回火后的微观组织,可见二者均为细小的回火马氏体。由图2可以看出,25CrNi2MoVNb钢的组织比18Cr2Ni4W钢的细小。图3为两种试验钢的晶粒尺寸,25CrNi2MoVNb钢的平均晶粒尺寸为5.5μm,而18Cr2Ni4W钢为14μm。25CrNi2MoVNb钢的平均晶粒尺寸明显小于18Cr2Ni4W钢,是因为25CrNi2MoVNb钢中添加微合金元素V和Nb,析出的(V,Nb)C等颗粒相钉扎在晶界,阻止晶粒长大。两种试验钢热处理后的力学性能如表2所示。25CrNi2MoVNb钢的抗拉强度比18Cr2Ni4WA钢高出300MPa,其屈服强度也高出250MPa。淬火低温回火钢的强度主要和碳含量有关,较高的碳含量是25CrNi2MoVNb钢具有高强度的主要原因;此外,通过采用V、Nb微合金化,其原奥氏体晶粒显著细化,对强度的提高也具有一定的贡献。从表2还可以看出,两种试验钢的冲击吸收功相当。25CrNi2MoVNb钢的细晶粒和高洁净度是其在较高强度下仍保持较好韧性的主要原因。2.2氢在18cr2ni4w和25crni2movnb钢中的扩散图4给出了试验钢18Cr2Ni4W和25CrNi2MoVNb未充氢、充氢96h、充氢96h后放置1天、以及充氢96h后放置32天后的TDS分析曲线。在加热速率为100℃/h的条件下,未充氢试样TDS曲线只有一个很小的氢析出峰,位于400℃左右,对应的氢含量为0.7×10-7,为不可扩散氢。与未充氢试样相比,充氢后试样的TDS曲线增加了一个氢析出峰,位于180℃左右,这部分氢在室温下放置时能逐渐从试样中析出。在同样充氢96h的情况下,25CrNi2MoVNb钢中位于180℃左右的峰值明显高于18Cr2Ni4W钢,说明氢在18Cr2Ni4W钢中的扩散慢于25CrNi2MoVNb钢,且位于180℃左右的峰值随着放置时间的增加而降低,直至最后与未充氢曲线重合。从图4中还可以看出,25CrNi2MoVNb钢和18Cr2Ni4W钢未充氢试样和充氢96h后放置32天试样的TDS分析曲线基本重合,说明放置32天后25CrNi2MoVNb钢可扩散的氢全部逸出。未充氢试样的TDS曲线与经充氢96h后放置32天后的TDS分析曲线基本重合,说明可扩散氢的充入和逸出是个可逆的过程。由此可见,试验钢TDS分析曲线180℃左右峰值对应钢中的可扩散氢。研究表明,氢致断裂过程与局部氢浓度密切相关。对于可扩散氢而言,其局部浓度不仅取决于其平均含量,而且取决于扩散过程。因此,研究可扩散氢在试验钢中的扩散过程显得尤为重要。图5为试验钢在0.1mol/L的NaOH溶液中充氢96h后室温下放置,钢中可扩散氢含量Ct随放置时间t的变化关系。可见,试验钢中的可扩散氢含量随放置时间的延长而下降,并且下降速率趋缓,当放置时间大于196h后,试验钢中可扩散氢含量基本稳定在0.5×10-7左右不再变化。CarneiroFilho等通过圆柱试样充氢后室温放置时氢含量下降规律研究了氢在钢中的扩散。氢在钢中的扩散方程为:其中,Ct为t时刻钢中可扩散氢含量,C∞为试验钢中t=∞时刻的可扩散氢含量,C0为试样钢中t=0时刻的可扩散氢含量,d为试样直径,D为氢在试验钢中的扩散系数。将18Cr2Ni4W钢和25CrNi2MoVNb钢的试验结果代入公式(1),回归分析结果如图5所示,可知氢在18Cr2Ni4W钢和25CrNi2MoVNb钢中的扩散系数分别为3.99×10-7cm2/s和7.87×10-7cm2/s。由此可见,氢在25CrNi2MoVNb钢中的扩散明显高于18Cr2Ni4W钢,其扩散系数之间是大约2倍的关系。2.3crni2movnb钢的缺口拉伸强度图6为25CrNi2MoVNb钢与18Cr2Ni4W钢缺口拉伸强度与可扩散氢含量之间的关系。试验钢在不同充氢电流密度(J)下充氢96h后采用慢应变速率拉伸试验方法测得的缺口拉伸强度σNB。从图6可以看出,两种试验钢的缺口拉伸强度都随着材料中可扩散氢含量的增加而降低。对于未充氢试样,两种试验钢的缺口拉伸强度都在2200MPa左右,且差别不大。充氢后即使在很低的可扩散氢含量下,试样的缺口拉伸强度都大幅度下降。从图6中还可以看出,在可扩散氢含量相同的条件下,25CrNi2MoVNb钢的缺口拉伸强度低于18Cr2Ni4W钢,此时25CrNi2MoVNb钢的缺口拉伸强度的下降幅度比18Cr2Ni4W钢大,说明25CrNi2MoVNb钢的氢脆敏感性较高。另一方面,王毛球等的研究发现,当充氢试样中的可扩散氢含量超过一个临界值后,其缺口拉伸强度与可扩散氢含量之间存在幂函数关系,此时在双对数坐标系中缺口拉伸强度随可扩散氢含量增加直线下降。从图6中可以推知,25CrNi2MoVNb钢缺口拉伸性能不下降的临界氢含量约为0.5×10-7,而18Cr2Ni4W的临界氢含量约为0.22×10-6。从临界氢含量也可以看出,25CrNi2MoVNb钢的氢脆敏感性比18Cr2Ni4W高。研究表明,高强度钢的氢致断裂与应力集中和氢的扩散富集密切相关,当局部氢含量和应力值达到临界值时就会发生氢致延迟断裂。25CrNi2MoVNb钢中氢的扩散系数约是18Cr2Ni4W钢中的2倍,氢的扩散富集更容易进行,这是25CrNi2MoVNb钢的氢脆敏感性更高的一个重要原因。由此可见,要改善回火马氏体钢的氢脆敏感性,仅靠细化晶粒和提高洁净度不够,有必要控制氢在其中的扩散行为。3材料的扩散氢1)25CrNi2MoVNb钢和18Cr2Ni4W钢经淬火低温回火后获得细小马氏体组织,抗拉强度分别高于1500MPa和1300MPa,且二者均有较高的冲击韧性;2)经电化学充氢后,试验钢25CrNi2MoVNb和18