30CrMnSiA高强度钢氢脆的实验研究

1、30crmnsia高强度钢氢脆的实验研究 长沙电力学院学报(自然科学版) 第13卷第3期 1998年8月journalofchangshauniversityofelectricpower(naturalscience).13no.3volaug.199830cr(长沙大学长沙410003)(长沙电力学院动力工程系长沙410077) 摘要实验结果表明:30crmnsia钢的下贝氏体组织具有最小的氢脆敏感性.氢促进了位错的活动性和增殖,并进一步使各组织的形变位错组态发生了变化.贝氏体组织试样的氢脆断口特征是准解理,而索氏体、屈氏体则主要是沿晶.影响材料氢脆敏感性的组织因素是:显微组织类型、位错密

2、度、碳化物类型及分布、残留奥氏体含量. 关键词氢脆高强度钢显微组织 分类号tg111191 合金相组成对氢脆和电化学腐蚀敏感性有着重要的作用,因此有必要从材料科学的角度探讨提高氢脆和应力腐蚀抗力的途径.哈尔滨工业大学李仁顺等人1对可能使30crmnsia钢产生氢脆的工艺进行了研究,还对比了亚温淬火组织与回火屈氏体组织的氢脆敏感性.他们的研究结果表明亚温淬火回火组织具有较小的氢脆敏感性.本文在相同渗氢条件下,对比30crmnsi回火索氏体、亚温淬火回火组织)的氢脆敏感性,为在a钢不同显微组织(下贝氏体、 可能发生氢脆的环境下使用该钢提供合理选择显微组织的依据.同时研究了在复杂组织中氢对位错运动的

3、影响,进一步探讨了氢脆的微观机理. 1试验方法及其结果 111材料成分及热处理工艺 本文采用两种规格的30crmnsia钢进行试验,化学成分见表1 .收稿日期1998204227 ? 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第13卷第3期 297 表1实验用钢的化学成分(质量百分比) 规格园钢?12 园钢?75 c0.320.31 mn0.970.99 si1.051.08 s0.0080.06 p0.0220.012 ni0.060.07 cr1.021.01 cu0

4、.070.112电解渗氢 1g?l24)的1mol?l 2 硫酸水溶液,电流密度为5ma?cm,h.113.?5mm的光滑拉伸试样,在instron-10型万,形变速率保持1mm?min.跨距为160mm的标准三点弯曲试样在60吨万能材料试验机上测试;无载荷时横梁上升速度约为015mm?min.渗氢对各种试样机械性能的影响,以及各试样的脆化系数和kh表3.从中可以看出:ic?kic值分别见表2、 (1)氢对各试样的强度指标(0.2,b)影响不大. (2)氢严重地降低了各试样的延性,以1#4#试样的脆化系数最大,5#试样最小. # (3)氢对断裂韧性值的影响出现不规律的波动,其中6#、7#试样的

5、khic?kic值最小,5试样最大. 表2氢对机械性能的影响 试样组号 1#2468 # 组织 bbbbb 粒粒粒上下 未渗氢 0. 2 渗氢 72614 3618471154104416 56531131132015 kic b?0. 2 b?7kic 3# # 5# # st 7# # # 96010109001030115078011007901450126011121260181112201617118018160011128901412301192014151810511 59 652953661421324465920 1000900110011206709808501520124

6、0116211621250217212341150317415321290210210481510512197177091613144411603157126995051571137182011121157 2 注:0.2、b=mn?=%;kic=mn?m2;?、m3? 表3试样的脆化系数和khkk值ic? 参数 h1#2#3#4#5#6#7#8#9# (%) 92 94 90 96 58 76 86 77 90 注:=(?0-?h)?0(%) 2物理分析及讨论 211形变亚结构的透射观察及氢对位错运动的影响 在拉伸试样断口附近切取薄片,制成薄膜后在h800电镜上观察.本文着重观察了5#、6#

7、 试样充氢与未充氢状态下的情形.充氢试样被脆化的主要原因是氢对位错运动的影响.大 量的运动位借相互作用,发生缠结而形成胞状亚结构,并通过交滑移运动使条界面和条内碳化 ? 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 长沙电力学院学报(自然科学版) 1998年8 月298 物产生不规则圆滑弯曲.而在充氢试样中则出现了弯折碳化物、平行位错列、界面台阶与扭折、以及位错塞积瘤等亚结构特征,如图14 . 图1充氢5#试样中,扭折碳化物,50000 图2充氢6#试样,平行塞积位错,800

8、00 图3充氢5#试样中,界面滑移台阶,50000图4充氢6#试样,位错塞积瘤,60000本文认为这是氢促进了位错平面滑移的结果.偏聚在位错心部的氢使心部原子间结合力减弱,降低了派纳力,导致位错活动性增强,易于早期开动,从而大量发生单滑移.另一方面氢降低了铁素体fe的层错能从而使交滑移难以进行2. 212断口形貌扫描观察及氢致断裂的微观机制 断裂韧性试样压断后,将断口精心保护并利用菲力普505型扫描电镜对断口上的伸张区和快断区进行观察和拍照发现以下三种氢脆断口特征: (1)氢脆准解理qche(一).解理小刻面周围有明显的撕裂棱、韧窝带等塑性痕迹.(2)氢脆准解理qche(二).具有不明显的撕裂

9、棱,条状花样和二次裂纹等形态.(3)氢脆沿晶ighe.晶界上有小孔、撕裂棱等痕迹.如图57. 观察结果表明,1#5#贝氏体组织的试样,充氢前后断口形貌类型未变但一些细节发生了变化: qcqche 而在6#、7#淬火回火试样中,断口类型发生了变化: ? 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第13卷第3期 刘白等:30crmnsia 高强度钢氢脆的实验研究 299图5充氢3#试样,氢脆准解理(一)断口,625图6充氢2#试样,氢脆准解理(二)断口,625 dim(qc)

10、ighe. 为什么易于在贝氏体组织试样中形成氢脆 准解理断口呢?有人3用蚀坑法测得2fe氢脆 断裂的解理面为001、110和112.位错受 到氢的活化后,易于在滑移面110、112上运 动和增殖,并在碳化物等障碍前塞积.或通过在 001晶面上位错反应造成氢的偏聚而导致在 这些面上解理.撕裂棱、韧窝带等是位错活动性 增强而导致的局部塑性变形.氢脆准解理(二) 是在条界上偏聚大量氢和位错受到活化的影响 下,发生较大的塑性变形之后滑移平面消失而 又未形成韧窝所形成的.图7充氢6#试样,氢脆沿晶断口,1250 有人4测过淬火回火组织45%的氢在晶界上,55%在晶内;晶界上的氢浓度比晶内高三个数量级.这

11、种组织的晶界是很深的氢陷阱.氢大量在晶界上偏聚大大降低了晶粒间的结合力,使裂纹易于沿晶界形成和扩展.偏聚在晶界上的氢原子,两两亲和形成氢分子,随着数量增多成为h2泡.在外应力的作用下,产生巨大内压力使晶界局部屈服,形成微空洞. 213影响氢脆敏感的显微组织因素 从表3、表4可以看出哈尔滨工业大学李仁顺等人的结论是基本正确的,但具有下贝氏体组织的5#试样的脆化系数最小,kh.材料的显微组ic?kic值最大,可见它具有最小的氢脆敏感性织是影响氢脆敏感性的内部因素,起着重要的作用,以下对其作一简要讨论. (1)显微组织类型与位错密度.下贝氏体组织与回火索氏体相比,具有较小的吸氢量和氢脆敏感性,其原因

12、是:回火过程中铁素体发生回复,使位错密度下降而晶界上偏聚大量的氢.在下贝氏体基体上均匀分布着密度较高的位错,分别吸附一定量的氢,使大量局部化的氢均匀地分散,对减小氢脆敏感性起着有益的作用. (2)碳化物类型及分布.碳化物及其与基体的相界面都是影响氢扩散的陷阱.渗碳体是? 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 长沙电力学院学报(自然科学版) 1998年8月300 缓慢相变过程中形成的,微应变很小,对氢扩散的阻碍作用较小.而2碳化物则相反5.在30crmnsi回火屈氏体中

13、,均为渗碳体且分布相近,仅在大a钢的下贝氏体组织和回火索氏体、 小和形态上有差异.因此氢扩散系数差别不大,但6#、7#试样的碳化物经回火后已长大,每一碳化物出现较大基体碳化物相界,从而提高了局部区域的氢浓度. (3)残余奥氏体量.有人6证明:扩散系数小,抑制裂纹的扩展,(4),在受力变形时,发生不均匀形变,易于.因此而诱发穿晶的氢脆断裂.本文认为,1#4#试样对氢脆较为敏感的主要原因. 3结论 (1)30crmnsi上贝氏体、索氏体、屈氏体以及临界a钢的下贝氏体组织,与粒状贝氏体、 区淬火回火组织相比,具有最小的氢脆敏感性.造成它们抗氢脆能力差异的材料组织因素是:显微组织类型、位错密度、碳化物

14、类型及分布、残留奥氏体含量等. (2)氢促进位错的运动和增殖.在下贝氏体组织和淬火回火组织中,氢促进了平面滑移、阻碍了交滑移.使位错塞积加强,界面台阶和扭折增多、脆壁组织减少.对不同的显微组织,氢造成了相似的形变亚结构特征. (3)贝氏体组织试样的氢脆断口特征是准解理,而淬火回火组织是沿晶.这表明不同的显微组织有不同的氢脆断裂路径和不同的氢脆敏感性. (4)氢脆准解理和氢脆沿晶断口上的韧窝带、裂撕棱等塑性痕迹,是由于偏聚氢促进了位错的活动性,降低了材料的局部屈服强度,在初生裂纹以塑性撕裂的方式与次生裂纹相连接时产生的.氢脆沿晶断口上的微空洞是界面上h2气泡在外应力协助下产生巨大内压力而引起的局

15、部塑性屈服. 参考文献 1李仁顺,等.金属材料的氢脆及应力腐蚀开裂.航天工艺,1988,78(10):5459 2orianira.hydrogeninmetals,1980,215224 3米男菊田(日),等.兵器材料与力学,1983,96(2):7378 4夏纬通,等.材料科学进展1北京:冶金工业出版社,1996.4959 5tinerna,gilpincb1corrosion,1996, 22:271279 6parrishpa,etal1internationalsymposiumonthereactivityofsolid.gothenbergsweeden,1996,(8):446

16、450 (责任编辑谢庚申) ? 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第13卷第3期 301 theexperimentalstudyofhydrogen embrittlementin30crmnsih(u.410051) guokexi (dept.ofpowereng.changshauniv.ofelectr.powerchangsha410077) abstractithasbeenfoundthatlowbainiteof30crmnsiasteelhas

17、bestpropertiesagainsth.e.thehydrogenenhancestheactivityandmultiplicationofdislocation,andfurthermoreinducesdislocationrearrangementineachmicrostructure.fracturefeatureofbainitesspeci2mensishydrogenquaicleavage,thatofsorbiteandtroostiteishydrogtnigpredominantly.ithasbeensuggestedthatmaterialfactorsaf

18、fectsusceptibilitytohydrogencrack,thatis:typeofmicrostruture,densityofdislocation,typeanddistributionofcarbite,amountofre2tainedaustenite. keywordshydrogenembrittlementhighstrengthsteelmicrostructure 应用数学研究所简介 应用数学研究所隶属我院数学与计算机系,所长李应求.我所现有教授2人,副教授8人,讲师7人,主要从事基础数学、概率统计、模糊数学的理论研究工作和应用数学、计算机软件的开发工作. 我所自1995年成立以来,共承担国家自然科学基金课题2项,国家归国留学人员基金课题1项,湖南省自然科学基金课题1项,湖南省科委课题1项,电力高校青年教师基金课题3项,横向课题2项,院自