氫含量對(duì)300M超高強(qiáng)度鋼應(yīng)力腐蝕的影響

伍助喜，田文明

（1.江西昌河航空工業(yè)有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000）

300M鋼是一種由美國(guó)最先發(fā)展起來(lái)的低碳、低合金含量鎳鉻鉬超高強(qiáng)度鋼，兼具超高強(qiáng)度和高韌性等優(yōu)秀的機(jī)械性能，被廣泛用于制造飛機(jī)特別是大型飛機(jī)的起落架[1,2]。起落架在實(shí)際服役過(guò)程中，面臨著較為復(fù)雜的介質(zhì)環(huán)境，氫不可避免地會(huì)滲入起落架內(nèi)部，引起氫致應(yīng)力腐蝕斷裂，這成為影響300M鋼安全使用的重要因素[1]。本研究采用恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，測(cè)試了氫含量對(duì)300M超高強(qiáng)度鋼應(yīng)力腐蝕特性的影響作用。

1 合金的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)用300M超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比（wt.%）為：C 0.4，Mn 0.64，Si 1.66，Cr 0.71，Ni 1.9，Mo 0.37，V 0.09。該材料熱處理制度為：隨爐加熱至870℃保溫1h進(jìn)行固溶處理，淬火油冷，然后隨爐加熱至300℃保溫2h進(jìn)行中溫回火，空冷，回火處理進(jìn)行兩次。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用300M鋼通過(guò)線切割加工成如圖1所示的拉伸試樣。試驗(yàn)前先對(duì)試樣進(jìn)行除銹、去污處理，然后用1000#砂紙打磨去除金屬表面缺陷，再用無(wú)水乙醇反復(fù)擦洗，最后用去離子水清洗并吹干待用。

圖1 300M鋼恒載荷拉伸試樣的形狀尺寸

電解充氫的電解液為0.1mol/LNaOH溶液，充氫電流大小為0.2A/cm2[3]，電解充氫時(shí)，試樣作為陰極，鉑片作為陽(yáng)極。為研究氫含量對(duì)試樣應(yīng)力腐蝕行為的影響，充氫時(shí)長(zhǎng)分別為24h，48h，72h和96h，時(shí)間越長(zhǎng)，300M鋼內(nèi)部氫含量越高。

分別對(duì)如圖1所示的充氫和不充氫試樣進(jìn)行恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，載荷為試樣抗拉強(qiáng)度的75%，拉伸段浸沒(méi)于5%NaCl溶液中，設(shè)備自動(dòng)記錄試樣斷裂時(shí)間。斷裂后取出試樣，采用去離子水及無(wú)水乙醇依次清洗表面腐蝕產(chǎn)物并吹干，計(jì)算斷后延伸率，然后將斷口區(qū)域切下進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕結(jié)果

恒載荷拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，不同充氫時(shí)間試樣在5%NaCl溶液中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的時(shí)間不一樣，隨著充氫時(shí)間的延長(zhǎng)，300M鋼試樣內(nèi)部氫含量隨之升高，而試樣發(fā)生斷裂的時(shí)間隨之縮短，充氫時(shí)間為96h的試樣斷裂時(shí)間僅為3.1min，明顯小于充氫24h試樣的9.90min，此外，未充氫試樣在5%NaCl溶液中的拉斷時(shí)間為820min，這表明300M對(duì)組織內(nèi)部的氫含量非常敏感，氫脆敏感性很大。隨材料內(nèi)部氫含量的增加，試樣發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的時(shí)間明顯縮短，應(yīng)力腐蝕敏感性及裂紋萌生拓展速度隨氫含量的增加而顯著增大，工程應(yīng)用中應(yīng)避免氫的引入，并對(duì)300M鋼進(jìn)行充分的除氫處理。

圖2 300M鋼試樣恒載荷拉伸斷裂時(shí)間與充氫時(shí)間的關(guān)系

氫對(duì)300M鋼的影響主要表現(xiàn)在降低材料塑性，試驗(yàn)中常以斷后延伸率來(lái)衡量材料的氫脆敏感性[4-6]，如公式（1）所示,式中：δ為試樣的延伸率，L1為試樣的原始長(zhǎng)度，L2為試樣斷裂后的總長(zhǎng)度。

不同充氫時(shí)間的試樣的斷后延伸率如圖3所示。充氫時(shí)間對(duì)材料塑韌性的影響非常明顯，拉伸試樣的斷后延伸率隨著充氫時(shí)間的增加而明顯降低，且降低的幅度也逐漸變大，表明300M鋼的氫脆敏感性隨氫含量的增加是加速累積的。氫原子通過(guò)鋼的晶界或微觀缺陷擴(kuò)散到鋼的內(nèi)部使晶界弱化，并且在應(yīng)力的協(xié)同作用下，向應(yīng)力集中區(qū)遷移富集[3-6]，從而引起鋼的氫脆破壞。

圖3 300M鋼試樣斷后延伸率與充氫時(shí)間的關(guān)系

2.2 斷口形貌觀察

圖4為不同充氫時(shí)間的試樣恒載荷拉斷后的宏觀形貌。未充氫試樣斷口較平齊，而充氫試樣斷口不平整，有明顯的起伏，說(shuō)明充氫試樣內(nèi)部存在應(yīng)力集中區(qū)，易產(chǎn)生局部開(kāi)裂導(dǎo)致整體提前斷裂。針對(duì)超高強(qiáng)度鋼，氫致白點(diǎn)往往成為引發(fā)氫脆斷裂的主要誘因[3]。

圖4 300M鋼恒載荷拉伸試樣斷裂宏觀形貌，（a）未充氫，（b）充氫72h

圖5為不同充氫時(shí)間的恒載荷拉伸試樣的斷口SEM圖，充氫試樣斷口表面分布著較為明顯的微裂紋，且隨充氫時(shí)間的增加，裂紋特征愈發(fā)明顯。如圖5c所示，在充氫24h后，斷口中仍能觀察到正常的韌窩組織；而在充氫達(dá)到72h時(shí)（如圖5d所示），試樣的斷裂方式為明顯的沿晶脆性斷裂，表明300M鋼隨其內(nèi)部氫含量的增加，韌性顯著降低，脆性劇增，氫的存在極大威脅了300M鋼的正常使用。

圖5 不同充氫時(shí)間試樣拉伸斷口的SEM形貌，（a）充氫24h低倍，（b）充氫72h低倍，（c）充氫24h高倍，（d）充氫72h高倍

3 結(jié)論

（1）300M鋼氫致應(yīng)力腐蝕敏感性極高，使用中要進(jìn)行徹底的除氫處理。

（2）300M鋼斷裂時(shí)間隨著氫含量的增加而縮短，材料斷后延伸率隨充氫時(shí)間的增加而顯著降低。

（3）隨鋼內(nèi)氫含量的增加，300M鋼脆性增加，導(dǎo)致斷裂模式由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。