不同成分６９０MPa級中錳鋼中的氫擴散行為及其影響因素

杜 預１,李維娟２,高秀華１,吳紅艷１,胡 軍１,杜林秀１

(１．東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室,沈陽 １１０８１９;２．遼寧科技大學材料科學與工程學院,鞍山 １１４０５１)

    摘 要:對兩種成分的淬火態、回火態６９０ MPa級中錳鋼進行雙電解池電化學氫滲透試驗,分析了試驗鋼的化學成分、熱處理狀態以及充氫電流等對氫擴散行為的影響.結果表明:兩種淬火態試驗鋼的顯微組織均主要由板條馬氏體組成,６５０ ℃回火后,試驗鋼中均有逆轉變奧氏體形成,且添加合金元素銅、鎳、鉻的試驗鋼中的逆轉變奧氏體含量較高,板條馬氏體更細小;兩種淬火態試驗鋼中氫的擴散行為差別不大,但在添加合金元素的回火態試驗鋼中,氫的滲透速率和表觀擴散系數均較小,滲透時間較長;充氫電流對淬火態試驗鋼中氫的擴散速率影響較小,但對在回火態試驗鋼中氫的影響較大,隨充氫電流的增加,試驗鋼中氫的滲透速率和表觀擴散系數均增大,滲透時間變短.

    關鍵詞:中錳鋼;氫擴散;馬氏體;逆轉變奧氏體

中圖分類號:TB３３ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０７Ｇ００１２Ｇ０４

０ 引 言

    陰極保護是防止海洋中鋼結構腐蝕的常用方法之一,但在陰極保護的過程中,鋼材表面產生氫原子,氫原子向鋼材內部滲透,并在內部的微小缺陷處結合形成氫分子.由氫原子形成氫分子所產生的內部壓力使鋼中產生鼓泡或變脆等,這會降低鋼材的塑性和韌性,進而導致氫脆的產生,并最終造成鋼結構的失效[１Ｇ２].這是鋼在海洋環境中服役所遇到的普遍問題[３Ｇ４].

    氫在鋼中的存在狀態和擴散行為直接影響氫對鋼的損傷,而它又取決于鋼中氫陷阱的特性,因此氫陷阱的特性在鋼的氫脆研究中起著重要作用[５Ｇ７].

    同時,氫在鋼中的擴散行為是分析鋼的氫脆行為和對鋼進行組織調控的重要依據.６９０ MPa級高強韌性中錳鋼是一種新型的海洋平臺用鋼[８Ｇ１０],其化學成分中的主要元素為錳元素,顯微組織為馬氏體和逆轉變奧氏體.該鋼具有良好的強韌性和耐腐蝕性能,但鮮見有關其氫擴散行為的研究.為此,作者設計了兩種化學成分的６９０ MPa級中錳鋼,采用雙電解池電化學氫滲透試驗方法分別測定淬火、回火后試驗鋼的氫滲透曲線,計算氫的滲透時間、表觀擴散系數等,分析了化學成分、熱處理狀態、充氫電流等因素對試驗鋼中氫擴散行為的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

    試驗材料為兩種６９０MPa級中錳鋼,化學成分如表１所示,其中試驗鋼 B中含有一定量的銅、鎳、鉻等合金元素,而試驗鋼 A 中的碳含量高于試驗鋼板的.試驗鋼均采用真空感應爐熔煉,鋼錠質量為１５０kg,將鋼錠鍛造成１４０mm 厚的鋼坯;將鋼坯隨爐加熱到１２００ ℃保溫３h,空冷到９６０ ℃,經５道次熱軋獲得８０mm 厚的鋼板,總壓下量約為４３％,終軋溫度約為９００℃,熱軋后水冷至室溫(淬火態),之后重新加熱到６５０ ℃保溫５０min,再空冷至室溫(回火態).

    在鋼板１/４厚度處截取試樣,將試樣機械減薄到５０μm 后進行雙噴減薄,采用 TecnaiG２ＧF２０型場發射透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀形貌.用線切割在８０mm 厚鋼板上沿平行于軋制面方向加工成５０mm×８０mm×２mm 的薄板,再經磨床加工到厚度為１．２mm,之后用８０＃ ~１２００＃ 砂紙打磨至１mm 厚,待表面光亮、平整,經電解拋光、陰極化理以及單面鍍鎳處理后,按照雙電解池電化學氫滲透試驗方法[１１Ｇ１２],采用 FeＧHPＧ１２ 型金屬氫滲透性能測試儀測陽極氧化電流和時間的關系曲線,充氫室電解液由２５０mL濃度０．２mol??L－１ NaOH 水溶液和０．５mL飽和 Na２S水溶液組成,釋氫室的溶液為濃度０．２mol??L－１ NaOH 水溶液,充氫電流分別為１５,３５,５５ mA.擴散到試樣陽極表面的氫滲透通量J 的計算公式為

    式中:F 為法拉第常數,取９６５００A??s??mol－１;I 為釋氫電流.

    瞬態氫滲透通量與穩態氫滲透通量之比為歸一化滲透通量,歸一化滲透通量與時間的關系曲線即為氫滲透曲線.在氫滲透試驗過程中,當試樣在充氫室側表面的氫滲透到其在釋氫室側的表面時,可檢測到陽極氧化電流.由此可知,氫滲透時間是陽極氧化電流開始上升時對應的時間,但由于在氫滲透曲線上難以直接確定氫滲透時間,因此一般規定在歸一化滲透通量為０．０９６時對應的時間為氫滲透時間.氫在試樣中的表觀擴散系數可通過氫滲透時間計算,計算公式為

式中:D 為氫在試樣中的表觀擴散系數,cm２??s－１;L為試樣厚度,cm;tb 為氫滲透時間,s.

２ 試驗結果與討論

２．１ 顯微組織

    由圖１可知:淬火態試驗鋼 A 的組織主要由不同位相的２００nm 寬的馬氏體板條束組成,馬氏體板條束內部存在高密度位錯,馬氏體上分布著短針狀、橢圓狀和圓形的滲碳體,組織中未發現奧氏體相;回火態試驗鋼 A 中的淺灰色組織為馬氏體,馬氏體板條寬５００nm 左右,亮白色組織為逆轉變奧氏體;與淬火態相比,回火態試驗鋼 A 中馬氏體上的滲碳體體積分數明顯降低,且滲碳體基本呈短棒狀.

    由圖２可知:淬火態試驗鋼 B的組織主要由寬１００~３００nm 的馬氏體板條束組成,馬氏體內部存在高密度位錯,由于試驗鋼 B 中的碳含量較低,因此馬氏體上未發現滲碳體,組織中還存在高體積分數的納米尺寸的銅析出相;回火態試驗鋼 B中的淺灰色組織為馬氏體,馬氏體板條寬３００nm 左右,亮白色組織 為 逆 轉 變 奧 氏 體,且 逆 轉 變 奧 氏 體 的 含量高 于 試 驗 鋼A中 的 ,這 是 由 于 試 驗 鋼B中 添 加了鉻、銅、鎳等合金元素;與淬火態相比,回火態試驗鋼 B中納米尺寸銅析出相的體積分數明顯降低.

２．２ 氫滲透行為

    由圖３可以看出:充氫電流對淬火態試驗鋼氫滲透曲線的影響較小,而對回火態試驗鋼的影響比較明顯;淬火態試驗鋼的歸一化滲透通量均高于回火態的,說明淬火態試驗鋼的氫滲透速率高于回火態的,且淬火態試驗鋼B經回火后,其氫滲透速率下降的幅度較大;兩種淬火態試驗鋼的歸一化滲透通量差別不大,但回火態試驗鋼 A 的歸一化滲透通量高于回火態試驗鋼B的.

    由圖４(a)可以看出:兩種試驗鋼的氫滲透時間均隨充氫電流的增加而縮短;淬火態試驗鋼的氫滲透時間短于回火態的,并且淬火態和回火態試驗鋼A 的氫滲透時間相差較小,但回火態試驗鋼 B的氫滲透時間遠長于淬火態的;兩種淬火態試驗鋼的氫滲透時間相差不大,但回火態試驗鋼 B的氫滲透時間遠長于回火態試驗鋼 A 的.

    由圖４(b)可以看出:氫在試驗鋼中的表觀擴散系數均隨充氫電流的增加而增大;氫在淬火態試驗鋼中的表觀擴散系數大于在回火態試驗鋼中的,并且氫在淬火態和回火態試驗鋼 A 中的表觀擴散系數相差較小,而在回火態試驗鋼 B中的表觀擴散系數 遠小于在淬火態試驗鋼B中的;氫在兩種淬火態試驗鋼中的表觀擴散系數相差不大,而在回火態試驗鋼中的表觀擴散系數相差較大.

在充氫過程中,氫原子首先被氫陷阱捕獲,達到飽和之后通過晶格擴散,因此氫擴散過程的影響因素主要為鋼中的氫陷阱和晶格類型.鋼中的位錯、空洞、晶界以及相界等均是具有捕獲氫能力的氫陷阱,此外一些與氫原子的結合能較大的溶質原子也可成為氫 陷 阱,如 鋼 中 的 鉻 元 素 會 增 加 氫 的 溶 解度[１３Ｇ１４].氫在面心立方結構中的溶解度高于在體心立方結構中的[１４],因此氫在含奧氏體組織的鋼中的溶解能力較大.兩種淬火態試驗鋼的氫擴散行為差異不大,這可能是由于淬火態試驗鋼的組織主要為板條馬氏體;而兩種回火態試驗鋼的氫擴散行為差異較大,這是由于回火態試驗鋼 B中的逆轉變奧氏體含量高于回火態試驗鋼 A 中的,且馬氏體板條尺寸小于回火態試驗鋼 A 中的,因此回火態試驗鋼B中的氫滲透速率遠低于回火態試驗鋼 A 中的,氫滲透時間遠長于試驗鋼 A 中的,氫的表觀擴散系數遠小于試驗鋼 A 中的.

兩種試驗鋼均為中錳低碳鋼,在６５０ ℃回火過程中均發生馬氏體的回復,從而導致組織中的位錯密度降低、馬氏體板條粗化、滲碳體和其他析出相部分溶解等.鋼中的位錯、滲碳體和其他析出相與氫的結合力較強,都屬于氫陷阱.回火之后氫陷阱的減少使氫在鋼中的滲透更容易進行,氫滲透速率增大;但是組織中逆轉變奧氏體的存在又增加了氫的溶解度,使氫滲透速率降低:因此在這兩種因素的共同作用下,氫在回火態試驗鋼中的滲透速率降低,滲透時間延長,表觀擴散系數減小.

３ 結 論 

    (１)兩種成分淬火態試驗鋼的組織均主要由板條馬氏體組成,經６５０℃回火后,試驗鋼中均有逆轉變奧氏體形成,且試驗鋼 B中的逆轉變奧氏體含量較高,馬氏體板條更細小.

    (２)兩種淬火態試驗鋼的氫滲透行為差異不大,而在回火態試驗鋼 B中氫的滲透速率和表觀擴散系數均遠低于在回火態試驗鋼 A 中的,滲透時間遠長于在回火態試驗鋼 A 中的.

    (３)充氫電流對淬火態試驗鋼中氫的擴散速率的影響較小,但對在回火態試驗鋼中的影響較大,隨充氫電流的增加,試驗鋼中氫的滲透速率和表觀擴散系數增大,滲透時間變短.

    (4)不同溫度變形時,Ti６Al４V 合金在變形初始階段的流變應力均隨應變的增加而急劇增加;隨著應變的增  加,流變應力的增大速率下降;當達到峰值應力后流變應力開始下降;當達到一定的應變后,流變應力基本不變.

    (5)根據 Ti６Al４V 合金在熱壓縮過程中的流變應力Ｇ應變曲線,通過線性回歸的方法建立了適用于描述 Ti６Al４V 合金在α＋β兩相區熱壓縮行為的本構方程.

    (6)基于 Ti６Al４V 合金在熱壓縮過程中的流變應力Ｇ應變曲線,建立了表征合金熱變形過程中臨界特征點與熱變形參數之間的數值關系,同時構建了熱變形過程中加工硬化、動態軟化以及動態再結晶 動 力 學 模 型,并 在 此 基 礎 上 建 立 了 適 用 于i６Al４V 合金α＋β兩相區的流變應力模型,該流變應力模型的計算結果與試驗結果吻合較好,驗證了流變應力模型的準確性.