淬火-配分-回火工藝處理低碳低合金鋼的氫脆敏感性

劉 丹，宋文英，石鵬亮，王存宇

(1. 沈陽鑄造研究所， 沈陽 110022； 2. 中國石油技術(shù)開發(fā)公司獨(dú)聯(lián)體分公司， 北京 100028；

3. 中國石油天然氣管道局國際事業(yè)部， 廊坊 065000； 4. 鋼鐵研究總院華東分院， 北京 100081)

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淬火-配分-回火工藝處理低碳低合金鋼的氫脆敏感性

劉 丹1，宋文英2，石鵬亮3，王存宇4

(1. 沈陽鑄造研究所， 沈陽 110022； 2. 中國石油技術(shù)開發(fā)公司獨(dú)聯(lián)體分公司， 北京 100028；

3. 中國石油天然氣管道局國際事業(yè)部， 廊坊 065000； 4. 鋼鐵研究總院華東分院， 北京 100081)

摘要：對低碳低合金鋼進(jìn)行淬火-配分-回火(Q-P-T)工藝處理，研究了Q-P-T處理后試驗(yàn)鋼的顯微組織、力學(xué)性能以及氫脆敏感性，并與傳統(tǒng)淬火回火(Q-T)工藝處理后的進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)Q-T工藝，Q-P-T工藝處理后的試驗(yàn)鋼獲得了較多的殘余奧氏體，塑性和韌性分別提高了3.5%和27%，氫脆敏感性降低；殘余奧氏體對降低氫脆敏感性具有積極作用。

關(guān)鍵詞：淬火-配分-回火；氫脆；殘余奧氏體

0引言

高強(qiáng)度化是鋼鐵材料的發(fā)展趨勢，然而合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度提高到一定程度后會(huì)產(chǎn)生延遲斷裂的現(xiàn)象，這限制了其強(qiáng)度的提高。高強(qiáng)度鋼產(chǎn)生延遲斷裂現(xiàn)象的主要原因是，鋼中的可擴(kuò)散氫在晶界或其它界面偏聚，降低了界面結(jié)合強(qiáng)度[1]。高強(qiáng)度鋼的氫脆敏感性是鋼鐵材料的重要研究方向之一[2-3]。

為了解決高強(qiáng)度鋼的氫致延遲斷裂，研究人員進(jìn)行了很多嘗試?；菪l(wèi)軍等[4]提出了通過GST(Grain Structure Trap)技術(shù)提高鋼的耐氫致延遲斷裂性能，并據(jù)此成功開發(fā)了ADF(Advans Fastener)系列高耐延遲斷裂性能鋼。近年來，通過亞穩(wěn)奧氏體降低氫脆敏感性的技術(shù)也得到了廣泛研究[5]。淬火配分(Q&P，Quenching and Partitioning)工藝以及淬火-配分-回火(Q-P-T，Quenching-Partitioning-Tempering)工藝是獲得高強(qiáng)度、高塑性、高韌性鋼的有效方法[6-8]，這種工藝通過不完全淬火以及對碳元素配分的控制，可獲得馬氏體/奧氏體組織[9]。目前關(guān)于Q-P-T工藝處理鋼的氫致延遲斷裂行為的研究較少，

圖2　兩種工藝處理后試驗(yàn)鋼的SEM形貌Fig.2　SEM morphology of experimental steel treated by Q-T process (a) and Q-P-T process (b)

為此，作者以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的低合金鋼為對象，研究其經(jīng)Q-P-T工藝處理后的氫脆敏感性。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼采用30 t電爐冶煉，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：0.21C，1.75Si，0.29Mn，1.03Cr，2.86Ni，0.31Mo，0.08V，0.049Nb，0.001S，0.006P。用膨脹儀測得其Ms點(diǎn)為375 ℃，Mf點(diǎn)為175 ℃。試驗(yàn)鑄坯經(jīng)改鍛后加工成沖擊試樣和拉伸試樣毛坯，然后進(jìn)行兩種不同工藝的熱處理。其一，傳統(tǒng)淬火回火(Q-T)工藝處理：900 ℃×0.5 h奧氏體化后油淬，然后進(jìn)行300 ℃×2 h的回火處理；其二，Q-P-T工藝處理：900 ℃×0.5 h奧氏體化，在鹽浴爐中進(jìn)行200 ℃×5 min等溫淬火，然后在300 ℃的鹽浴爐中保溫10 min進(jìn)行碳元素配分處理，水淬至室溫，最后在馬弗爐中進(jìn)行300 ℃×2 h的回火處理。

將熱處理后的試樣毛坯精加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(d=5 mm，l=5d)和V型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣以及缺口拉伸試樣，缺口拉伸試樣的形狀和尺寸如圖1所示。室溫拉伸試驗(yàn)在WE-300型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)變速率為2.5×10-3～2.5×10-4s-1，拉伸性能取2個(gè)試樣的平均值。沖擊試驗(yàn)在JBN-300B型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-40 ℃，冷卻介質(zhì)采用液氮和無水乙醇，試樣在低溫槽內(nèi)保溫5 min后再進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊功取3個(gè)試樣的平均值。充氫處理時(shí)，缺口拉伸試樣為陰極，在0.1 mol·L-1的NaOH溶液中進(jìn)行電化學(xué)充氫，電流密度分別為0.5，1，5 mA·cm-2，充氫時(shí)間為72 h；充氫后立即在WDML-300kN型慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，獲得缺口抗拉強(qiáng)度σNB，拉伸速度為0.005 mm·min-1。

圖1　缺口拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.1　Shape and size of notch tension specimen

采用X Pert Pro型X射線衍射儀測熱處理后試驗(yàn)鋼中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，采用鈷靶；采用S4300型冷場掃描電子顯微鏡(SEM)和H800型透射電鏡(TEM)觀察其顯微組織。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　顯微組織與力學(xué)性能

由圖2可見，試驗(yàn)鋼經(jīng)兩種工藝處理后的組織沒有明顯的差異，均為典型的板條馬氏體。但經(jīng)Q-T工藝處理后，殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)為2%，Q-P-T工藝處理后的為6%。通過透射電鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Q-P-T工藝處理后，殘余奧氏體以薄膜狀存在，如圖3所示。

由表1可見，與Q-T工藝相比，經(jīng)Q-P-T工藝處理后試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度(Rm)和屈服強(qiáng)度(Rp0.2)分別降低了80 MPa和100 MPa，但斷后伸長率(A)則從11.5%提高到15%，提高了3.5%，斷面收縮率(Z)從60%提高到63.5%，沖擊吸收功(Akv)從51 J提高到64.7 J，提高了27%。

表1　不同工藝處理后試驗(yàn)鋼的拉伸性能和沖擊性能

圖3　經(jīng)Q-P-T工藝處理后試驗(yàn)鋼的TEM形貌Fig.3　TEM morphology of experimental steel treated by Q-P-T process：(a) bright field and (b) dark field

傳統(tǒng)的Q-T工藝是在奧氏體化后直接淬火至室溫，試驗(yàn)鋼中的奧氏體幾乎完全發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)只有2%；而Q-P-T工藝是先淬火到200 ℃，此時(shí)試驗(yàn)鋼中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)約為85.6%，仍有體積分?jǐn)?shù)為14.4%的奧氏體未發(fā)生轉(zhuǎn)變，在后續(xù)的配分處理過程中，碳從馬氏體向未轉(zhuǎn)變奧氏體中擴(kuò)散，提高了未轉(zhuǎn)變奧氏體的化學(xué)穩(wěn)定性，最終淬火至室溫時(shí)可以獲得體積分?jǐn)?shù)高達(dá)6%的殘余奧氏體。這些殘余奧氏體主要以薄膜狀存在，改善了鋼的塑性和韌性[10]。但由于碳元素在殘余奧氏體中的富集，導(dǎo)致馬氏體基體中固溶碳原子的數(shù)量減少，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

2.2　氫脆敏感性

用缺口慢拉伸試驗(yàn)表征充氫處理后試驗(yàn)鋼的抗氫脆敏感性。由圖4可見，在未充氫(電流密度為0)的情況下，經(jīng)Q-T工藝處理的試驗(yàn)鋼的缺口抗拉強(qiáng)度較高；隨著電流密度增加，兩種工藝處理的充氫試驗(yàn)鋼的缺口抗拉強(qiáng)度都明顯降低，但Q-P-T工藝處理的要高于Q-T工藝處理的。

圖4　電流密度對不同工藝處理鋼缺口抗拉強(qiáng)度的影響Fig.4　Effect of charging current density on notch tensile strengthof experimental steel treated by different processes

缺口抗拉強(qiáng)度的下降率R是反映缺口試樣對氫敏感程度的參數(shù)，表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：σNB0為未充氫時(shí)的缺口抗拉強(qiáng)度；σNB為充氫后的缺口抗拉強(qiáng)度。

圖5　電流密度對不同工藝處理鋼缺口抗拉強(qiáng)度下降率的影響Fig.5　Effect of charging current density on the reduction ofnotch tensile strength of expermental steel treatedby different processes

由圖5可知，R隨電流密度的增加而增大，且在不同電流密度下Q-T工藝處理的試驗(yàn)鋼的R均大于Q-P-T工藝處理的。這表明，Q-P-T工藝處理后的試驗(yàn)鋼較Q-T工藝處理后的具有較高的抗氫脆敏感性。

外界的氫進(jìn)入金屬后主要以氫原子的形式存在，從表面到內(nèi)部存在濃度梯度，氫原子逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散，在位錯(cuò)處偏聚形成氣團(tuán)，降低了臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，從而在較小的外力下使局部塑性變形達(dá)到臨界值而引起氫致開裂[11]，使鋼更容易發(fā)生脆斷。氫致斷裂現(xiàn)象與局部氫濃度密切相關(guān)[12]，局部氫濃度取決于平均氫含量和擴(kuò)散過程。試驗(yàn)鋼中的平均氫濃度主要受充氫電流密度的影響，氫的擴(kuò)散過程與拉伸過程中的應(yīng)力梯度和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。作者選用的0.005 mm·min-1拉伸速度可以使試驗(yàn)鋼中的氫充分?jǐn)U散，減小了試驗(yàn)外部環(huán)境對氫擴(kuò)散過程的影響[13]。Q-P-T工藝處理的試驗(yàn)鋼中含有較多的殘余奧氏體，而氫在奧氏體中的固溶度比在鐵素體中高[14]，且擴(kuò)散系數(shù)低[15]，故有利于提高試驗(yàn)鋼的抗氫脆能力[16]；殘余奧氏體也提高了裂紋擴(kuò)展的門檻值，降低了裂紋擴(kuò)展速率，提高了裂紋擴(kuò)展的能量[17]；并且奧氏體富碳減小了基體中的碳含量，從而減小了試驗(yàn)鋼中的內(nèi)應(yīng)力。因此在相同的外部充氫條件下，Q-T-P工藝處理的試驗(yàn)鋼具有相對較小的氫脆敏感性。

3結(jié)論

(1) 相對于傳統(tǒng)Q-T工藝，Q-P-T工藝處理后的試驗(yàn)鋼獲得了較多的殘余奧氏體，塑性和韌性分別提高了3.5%和27%。

(2) 相對于傳統(tǒng)Q-T處理工藝，Q-P-T工藝可有效降低鋼的氫致破裂敏感性。

(3) Q-P-T工藝降低鋼的氫致破裂敏感性的主要原因是其殘余奧氏體較多，它可以吸附氫元素，鈍化裂紋，對降低氫致破裂敏感性具有積極作用。

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《電鍍與涂飾》(半月刊)征訂啟事

一、 雜志簡介

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《電鍍與涂飾》雜志主要報(bào)道電鍍、化學(xué)鍍、電沉積、鍍覆、陽極氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、輕金屬表面精飾、PCB表面精飾、涂料涂裝、現(xiàn)代涂層技術(shù)等金屬與非金屬表面處理相關(guān)的內(nèi)容。

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Susceptibility to Hydrogen Embrittlement of Low-Carbon and Low-Alloy

Steel Treated by Quenching-Partitioning-Tempering Process

LIU Dan1， SONG Wen-ying2, SHI Peng-liang3, WANG Cun-yu4

(1. Shenyang Research Institute of Foundry, Shenyang 110022， China;

2. CIS Branch， China Petroleum Technology & Development CORP， Beijing 100028, China；

3. International Department, China Petroleum Pipeline Bureau, Langfang 065000， China;

4. East China Branch of Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

Abstract:The microstructure, mechanical property and susceptibility to hydrogen embrittlement of a low-carbon and low-alloy steel treated by quenching-partitioning-tempering (Q-P-T) process was studied, and compared with those of the steel treated by traditional quenching-tempering (Q-T) process. The results show that the steel treated by Q-P-T process contained more retained austenite, the ductility and toughness increased by 3.5% and 27% respectively, and the susceptibility to hydrogen embrittlement decreased comparing with that by Q-T process. The retained austenite plays a positive role in decreasing the susceptibility to hydrogen embrittlement.

Key words:quenching-partitioning-tempering; hydrogen embrittlement; retained austenite

中圖分類號：TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)10-0066-04

通訊作者：王存宇博士

作者簡介：劉丹(1979-),男，遼寧沈陽人，工程師，學(xué)士。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51101036，51301042,51201093)；國家“973”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010CB630803)

收稿日期:2014-08-25；

修訂日期:2015-06-19

DOI:10.11973/jxgccl201510015