利用HTDS對(duì)鋼材料中氫擴(kuò)散行為的分析研究①

秦志強(qiáng)

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司, 江蘇 江陰　214429)

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利用HTDS對(duì)鋼材料中氫擴(kuò)散行為的分析研究①

秦志強(qiáng)

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司, 江蘇 江陰214429)

介紹了利用升溫測(cè)氫裝置(HTDS)進(jìn)行的鋼材料中擴(kuò)散氫及非擴(kuò)散氫定量區(qū)分與檢測(cè)的方法，繪制出不同溫度下氫擴(kuò)散速率曲線圖，找出最佳擴(kuò)散溫度區(qū)間。通過對(duì)管線鋼服役中失效樣品中擴(kuò)散氫和不易擴(kuò)散氫的測(cè)定，為失效分析提供有力判據(jù)。

升溫測(cè)氫裝置； 氫擴(kuò)散； 氫擴(kuò)散圖； 氫脆失效

引　言

氫在鋼中是有害的，能夠引起鋼材料出現(xiàn)白點(diǎn)、魚眼、鼓泡、氫致裂紋等缺陷，最終導(dǎo)致材料脆斷失效，所以對(duì)鋼材料中氫的控制尤為重要。鋼中的氫又分為擴(kuò)散氫和不易擴(kuò)散氫，通常擴(kuò)散氫是導(dǎo)致氫缺陷和氫致失效的主要貢獻(xiàn)者。所以在控制鋼中氫含量盡可能低的前提下，測(cè)出鋼中氫存在的狀態(tài)更為重要。

1　試驗(yàn)過程

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼種分別為：Q345C，42CrMo4，B鋼3個(gè)鋼種，每個(gè)鋼種取2個(gè)試樣分為試樣A和試樣B。試樣A為棒材連鑄坯，加工尺寸為Φ15 mm×30 mm，試樣B都取自于壓縮比大于3的鍛造鋼材，加工尺寸為Φ15 mm×30 mm。

另取管線鋼失效部件試樣三件(試樣1～3)，取樣位置如圖1所示，分別在3個(gè)不同的部位取樣，加工尺寸為：30 mm×15 mm×10 mm，如圖2所示。

1.2試驗(yàn)方法

利用升溫測(cè)氫裝置(HTDS)分別對(duì)試樣進(jìn)行加熱擴(kuò)氫檢測(cè)。環(huán)境溫度：20 ℃；濕度：46%；電氣爐加熱速率：300 ℃/h 和150 ℃/h； 加熱最高溫度：850 ℃；氫分析譜儀：高精度四重質(zhì)量分析計(jì),試驗(yàn)前試樣都用無水酒精在超聲波洗滌器中清洗10 min，并用電子天平準(zhǔn)確稱取質(zhì)量。

圖1　失效件取樣位置圖

圖2　失效件試樣

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1鋼種Q345C試驗(yàn)結(jié)果

鋼種Q345C試驗(yàn)結(jié)果如圖3，4所示。

圖4　試樣B

2.2鋼種42CrMo4試驗(yàn)結(jié)果

鋼種42CrMo4試驗(yàn)結(jié)果如圖5，6所示。

圖5　試樣A

圖6　試樣B

2.3鋼種B鋼試驗(yàn)結(jié)果

鋼種B鋼試驗(yàn)結(jié)果如圖7，8所示。

圖7　試樣A

圖8　試樣B

2.4失效件試樣試驗(yàn)結(jié)果

失效件試樣試驗(yàn)結(jié)果如圖9～11所示。

圖9　試樣1

圖10　試樣2

圖11　試樣3

3　分析與討論

3.1分析

以上試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，2所示。

表1　Q345C, 42CrMo4, B鋼試驗(yàn)數(shù)據(jù)

參數(shù)/鋼種編號(hào)Q345C42CrMo4B鋼試樣A試樣B試樣A試樣B試樣A試樣B氫含量/10-60.5720.3020.7760.2990.5120.234峰值溫度/℃430390420380420380

表2　失效部件試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2討論

由表1可以發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)鋼種材料出現(xiàn)析氫峰值處的溫度都在400 ℃左右，不是長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為的溫度500～600 ℃；因此，在此類鋼材料的析氫處理時(shí)，選擇在此峰值處保溫一段時(shí)間，使材料內(nèi)部擴(kuò)散氫完全析出，不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)等內(nèi)部缺陷。同鋼種試驗(yàn)中，試樣B都是在鍛造后取樣，鍛造后的鋼材致密性更好，內(nèi)部擴(kuò)散氫不易逃出，試驗(yàn)顯示出的氫含量都比未鍛造試樣含量低，并且出現(xiàn)峰值處溫度都比同鋼種未鍛造試樣低40 ℃左右。由上，可以對(duì)不同鋼種、不同狀態(tài)的鋼材熱處理工藝進(jìn)行有據(jù)可依的調(diào)控。

由表2可以看出：試樣1出現(xiàn)一個(gè)峰值，溫度在425 ℃左右；而試樣2和試樣3在最高峰值之前還出現(xiàn)一個(gè)峰值。試樣1是在斷口處取樣，所以分析認(rèn)為是斷裂導(dǎo)致此處氫擴(kuò)散使得尖峰消失，是此部分?jǐn)U散氫導(dǎo)致材料失效的主因。試樣2與試樣1是在相同環(huán)境下服役，試樣2處沒斷裂是由于第一峰值處的氫含量不至于導(dǎo)致其失效。試樣3是在不同環(huán)境下服役，所以第一峰值處積分面積小，導(dǎo)致材料失效的擴(kuò)散氫含量少。

4　結(jié)束語

HTDS分析法可以把鋼材料中擴(kuò)散氫及非擴(kuò)散氫定性區(qū)分開來并準(zhǔn)確測(cè)出含量，給出不同溫度下氫的含量和狀態(tài)；為產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)、熱處理工藝優(yōu)化、指導(dǎo)客戶使用鋼材料等提供重要檢測(cè)數(shù)據(jù)，還可以為氫脆失效分析提供有力判據(jù)。

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[5]趙堅(jiān)，趙琳.優(yōu)質(zhì)鋼缺陷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1989.

2016-05-30

秦志強(qiáng)(1982—)，男，工程師。電話：13812116593

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