不同成型工藝的材料抗氫致開裂性能比較

費(fèi)勤楠 孔韋海

(合肥通用機(jī)械研究院 國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室)

不同成型工藝的材料抗氫致開裂性能比較

費(fèi)勤楠*孔韋海

(合肥通用機(jī)械研究院 國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室)

對(duì)3種不同成型工藝的壓力容器常用材料進(jìn)行抗氫致開裂(HIC)試驗(yàn)，比較組織和夾雜物對(duì)材料抗氫致開裂性能的影響，結(jié)果表明：氫致裂紋對(duì)鑄件與鍛件的組織與夾雜物形態(tài)不敏感，鑄件與鍛件材料極少出現(xiàn)氫致裂紋。

壓力容器 材料成型工藝 氫致開裂 性能影響

鑄、鍛、軋是壓力容器用金屬材料常見的3種成型方式。鑄造是將液體金屬澆鑄到鑄造空腔中，待它冷卻凝固后獲得零件或毛坯的方法，但鑄件組織不均勻、缺陷較多，氫致裂紋容易產(chǎn)生在材料鑄造缺陷處，使用前應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行檢查。鍛造是利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使它產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工方法，鍛件經(jīng)鍛造后組織較鑄件更細(xì)小、致密，但材料中的非金屬夾雜物(如硫化錳)經(jīng)過鍛打后可能成為類似軋板中的片狀形態(tài)，需防止氫在此處富集，形成氫致裂紋。軋制是將金屬坯料通過一對(duì)旋轉(zhuǎn)軋輥的間隙(各種形狀)，因受軋輥的壓縮軋制使材料截面減小、長(zhǎng)度增加的壓力加工方法，軋制成型鋼板之所以會(huì)產(chǎn)生氫致開裂，是因?yàn)樵谄瑺願(yuàn)A雜物處、組織不連續(xù)處及帶狀組織處等部位滲入的氫原子生成氫分子而產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋的形成。因此，在鋼的冶煉和澆鑄過程中，需要控制夾雜物的數(shù)量和形態(tài)分布。

目前，在濕硫化氫腐蝕環(huán)境中，常用的評(píng)價(jià)材料抗氫致開裂性能的標(biāo)準(zhǔn)方法NACE TM0284-2011和GB/T 8650-2006是針對(duì)管線鋼和軋制鋼板制定的。李鶴林等對(duì)管線鋼和軋制鋼板進(jìn)行了深入研究[1～3]，對(duì)材料的成分、夾雜物等對(duì)抗氫致開裂的影響進(jìn)行了分析，并對(duì)濕硫化氫環(huán)境中使用鋼材的現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。但是，針對(duì)壓力容器用鑄件和鍛件的抗氫致開裂性能試驗(yàn)方法和研究還鮮有報(bào)道。因此，筆者選取了WCB鑄件、16Mn鍛件和Q345R熱軋鋼板3種材料進(jìn)行抗氫致開裂性能試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方法

抗氫致開裂(HIC)試驗(yàn)按照NACE TM0284-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。每種試驗(yàn)材料各制備3根尺寸為100mm×20mm×20mm的長(zhǎng)方體，表面用320#砂紙打磨，經(jīng)丙酮清洗除油，干燥后進(jìn)行試驗(yàn)。試樣放入配置好并除氧的溶液中(本次試驗(yàn)溶液為5%NaCl(wt)+0.5%CH3COOH(wt)+飽和硫化氫水溶液，配制完成時(shí)，試驗(yàn)溶液的pH值為2.8)，放入試樣后再次除氧1h，然后通入硫化氫至飽和，1h后試驗(yàn)溶液的pH測(cè)試值為3.0，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)溶液的pH測(cè)試值為3.7。

表1為NACE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3種試驗(yàn)材料化學(xué)成分的具體要求，試驗(yàn)所選用的材料均滿足對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 NACE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3種試驗(yàn)材料的化學(xué)成分要求 wt%

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照HIC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求放大100倍對(duì)斷面進(jìn)行檢查，經(jīng)600#、1 000#、2 000#砂紙打磨后機(jī)械拋光，觀察評(píng)定試板的裂紋長(zhǎng)度敏感率(CLR)、裂紋厚度敏感率(CTR)和裂紋敏感率(CSR)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，不同材料的金相照片如圖1～3所示。

表2 HIC 試驗(yàn)結(jié)果(3根試樣平均值)

3種材料裂紋觀察結(jié)束后，用4%硝酸酒精浸蝕。觀察可知，WCB材料組織粗大，白色鐵素體上不均勻地分布著珠光體，形態(tài)和分布不規(guī)則；16Mn材料組織更加均勻，鐵素體與珠光體交錯(cuò)分布，顯示良好的物理性能，試驗(yàn)顯示對(duì)氫致開裂不敏感；Q345R材料組織良好，帶狀組織不明顯，氫容易在珠光體帶狀組織處富集并產(chǎn)生裂紋，所以抗氫鋼對(duì)帶狀組織要求較嚴(yán)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)材料的組織與夾雜物形態(tài)不同。一般情況下，鋼最終性能的好壞是由其金相組織來(lái)決定的。金相組織直接影響鋼的抗氫致開裂性能[4]，如淬火+高溫回火的金相組織為細(xì)小彌散的球狀碳化物，氫鼓泡對(duì)這種組織的敏感性最低，而對(duì)未回火的馬氏體組織則敏感性最高。鑄件為鑄態(tài)組織，晶粒粗大，成分偏析嚴(yán)重且組織不均勻，其氫致裂紋容易產(chǎn)生在材料鑄造缺陷處(如夾雜、氣孔及熱裂紋等)，這里氫滲入后聚集，產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成開裂。鍛件由鋼錠鍛造后組織較鑄件細(xì)小、致密，但材料中的非金屬夾雜物如MnS經(jīng)過鍛造后容易成為片狀或不規(guī)則多邊形，氫滲入后在夾雜物或鍛造裂紋處聚集，造成開裂。

圖1 WCB鑄件HIC試驗(yàn)的部分金相照片

圖2 16Mn鍛件HIC試驗(yàn)的部分金相照片

圖3 Q345R熱軋鋼板HIC試驗(yàn)的部分金相照片

材料中非金屬夾雜物來(lái)源有內(nèi)生或外來(lái)，內(nèi)生夾雜物是鋼在脫氧和凝固時(shí)產(chǎn)生的。由于鋼的冶煉過程是氧化-還原過程，在鋼中存在大量的氧、氮及硫等雜質(zhì)元素，為降低雜質(zhì)元素的有害作用，在冶煉過程中進(jìn)行脫氧和脫硫處理，部分脫氧和脫硫的產(chǎn)物殘留在鋼中形成夾雜物。外來(lái)夾雜物是在冶煉過程中熔渣等物質(zhì)進(jìn)入鋼中并滯留在其中形成的[5,6]。Q345R鋼在冶煉過程中，通過降低硫的含量，并向鋼中加入鈣，從而控制夾雜物的形成。此外，夾雜物對(duì)金屬的韌塑性能也有一定的影響。由于夾雜物與金屬本身的韌塑性有很大差別，金屬變形過程中，夾雜物不能隨金屬發(fā)生變形，就會(huì)在夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，夾雜物發(fā)生破裂或者夾雜物與金屬分離產(chǎn)生裂紋。在大多數(shù)情況下，氫致開裂都起源于夾雜物，鋼中的夾雜物是產(chǎn)生氫致裂紋的主要根源。分析表明，氫致裂紋端口表面有延伸的MnS和Al2O3點(diǎn)鏈狀?yuàn)A雜。因此，為了提高抗氫致開裂能力，必須盡量減少鋼中的夾雜物并精確控制夾雜物的形態(tài)[7]。圖4選取了有代表性的3種材料的夾雜物照片，可以看出WCB夾雜物較多，但形態(tài)多為圓形；16Mn和Q345R夾雜物較少，其中Q345R有鏈狀?yuàn)A雜，隨著氫在夾雜物處聚集，會(huì)連成一線，造成開裂。

圖4 3種材料的夾雜物部分金相照片

3 結(jié)束語(yǔ)

由抗氫致開裂試驗(yàn)可知，鑄件與鍛件對(duì)氫致開裂不敏感，幾乎不出現(xiàn)氫致裂紋；鑄件無(wú)氫鼓泡現(xiàn)象，鍛件少量出現(xiàn)，而軋板表面氫鼓泡較多，初步判斷與其組織和夾雜物形態(tài)有關(guān)；3種不同成型工藝的材料中夾雜物的數(shù)量與形態(tài)對(duì)氫致裂紋起決定性作用。

[1] 李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問題[J].中國(guó)機(jī)械工程，2001，12(3)：349～352.

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ComparisonofMaterial’sResistancetoHydrogen-inducedCrackingwithDifferentMoldingProcesses

FEI Qin-nan, KONG Wei-hai
(NationalSafetyEngineeringTechnologyResearchCenterforPressureVessels,PipelinesandAnhuiProvincialLaboratoryforSafetyTechnologyofPressureVesselsandPipelines,HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)

Three different molding processes’ resistance to hydrogen-induced cracking (HIC) were tested; and the influences of materials’ textures and inclusions on their resistance to hydrogen-induced cracking were compared to show that the hydrogen-induced cracking is not sensitive to castings and forgings’ microstructure and inclusions’ shape, and few hydrogen-induced cracks can be seen in castings and forging materials.

pressure vessel, material-molding process, HIC, performance influence

* 費(fèi)勤楠，男，1987年11月生，助理工程師。安徽省合肥市，230031。

TQ051.3

A

0254-6094(2016)02-0170-04

2015-03-30，

2016-03-07)