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. 中國石油技術開發公司獨聯體分公司， 北京 100028；

3. 中國石油天然氣管道局國際事業部， 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. 中國石油技術開發公司獨聯體分公司， 北京 100028；

3. 中國石油天然氣管道局國際事業部， 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處理后試驗鋼的顯微組織、力學性能以及氫脆敏感性，并與傳統淬火回火(Q-T)工藝處理后的進行了比較。結果表明：相對于傳統Q-T工藝，Q-P-T工藝處理后的試驗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。

關鍵詞：淬火-配分-回火；氫脆；殘余奧氏體

0引言

高強度化是鋼鐵材料的發展趨勢，然而合金結構鋼的強度提高到一定程度后會產生延遲斷裂的現象，這限制了其強度的提高。高強度鋼產生延遲斷裂現象的主要原因是，鋼中的可擴散氫在晶界或其它界面偏聚，降低了界面結合強度[1]。高強度鋼的氫脆敏感性是鋼鐵材料的重要研究方向之一[2-3]。

為了解決高強度鋼的氫致延遲斷裂，研究人員進行了很多嘗試。惠衛軍等[4]提出了通過GST(Grain Structure Trap)技術提高鋼的耐氫致延遲斷裂性能，并據此成功開發了ADF(Advans Fastener)系列高耐延遲斷裂性能鋼。近年來，通過亞穩奧氏體降低氫脆敏感性的技術也得到了廣泛研究[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，作者以碳質量分數為0.2%的低合金鋼為對象，研究其經Q-P-T工藝處理后的氫脆敏感性。

1試樣制備與試驗方法

試驗鋼采用30 t電爐冶煉，其化學成分(質量分數/%)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點為375 ℃，Mf點為175 ℃。試驗鑄坯經改鍛后加工成沖擊試樣和拉伸試樣毛坯，然后進行兩種不同工藝的熱處理。其一，傳統淬火回火(Q-T)工藝處理：900 ℃×0.5 h奧氏體化后油淬，然后進行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，在鹽浴爐中進行200 ℃×5 min等溫淬火，然后在300 ℃的鹽浴爐中保溫10 min進行碳元素配分處理，水淬至室溫，最后在馬弗爐中進行300 ℃×2 h的回火處理。

將熱處理后的試樣毛坯精加工成標準拉伸試樣(d=5 mm，l=5d)和V型缺口標準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。室溫拉伸試驗在WE-300型試驗機上進行，應變速率為2.5×10-3～2.5×10-4s-1，拉伸性能取2個試樣的平均值。沖擊試驗在JBN-300B型擺錘式沖擊試驗機上進行，試驗溫度為-40 ℃，冷卻介質采用液氮和無水乙醇，試樣在低溫槽內保溫5 min后再進行沖擊試驗，沖擊功取3個試樣的平均值。充氫處理時，缺口拉伸試樣為陰極，在0.1 mol·L-1的NaOH溶液中進行電化學充氫，電流密度分別為0.5，1，5 mA·cm-2，充氫時間為72 h；充氫后立即在WDML-300kN型慢應變速率拉伸試驗機上進行慢應變速率拉伸試驗，獲得缺口抗拉強度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鋼中殘余奧氏體的體積分數，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試驗結果與討論

2.1　顯微組織與力學性能

由圖2可見，試驗鋼經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Q-T工藝處理后，殘余奧氏體的體積分數為2%，Q-P-T工藝處理后的為6%。通過透射電鏡觀察可以發現，經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Q-P-T工藝處理后試驗鋼的抗拉強度(Rm)和屈服強度(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鋼的拉伸性能和沖擊性能

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

傳統的Q-T工藝是在奧氏體化后直接淬火至室溫，試驗鋼中的奧氏體幾乎完全發生馬氏體轉變，殘余奧氏體的體積分數只有2%；而Q-P-T工藝是先淬火到200 ℃，此時試驗鋼中馬氏體的體積分數約為85.6%，仍有體積分數為14.4%的奧氏體未發生轉變，在后續的配分處理過程中，碳從馬氏體向未轉變奧氏體中擴散，提高了未轉變奧氏體的化學穩定性，最終淬火至室溫時可以獲得體積分數高達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，導致馬氏體基體中固溶碳原子的數量減少，從而導致強度降低。

2.2　氫脆敏感性

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

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

(1)

式中：σNB0為未充氫時的缺口抗拉強度；σNB為充氫后的缺口抗拉強度。

圖5　電流密度對不同工藝處理鋼缺口抗拉強度下降率的影響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。

外界的氫進入金屬后主要以氫原子的形式存在，從表面到內部存在濃度梯度，氫原子逐漸向內部擴散，在位錯處偏聚形成氣團，降低了臨界應力場強度因子，從而在較小的外力下使局部塑性變形達到臨界值而引起氫致開裂[11]，使鋼更容易發生脆斷。氫致斷裂現象與局部氫濃度密切相關[12]，局部氫濃度取決于平均氫含量和擴散過程。試驗鋼中的平均氫濃度主要受充氫電流密度的影響，氫的擴散過程與拉伸過程中的應力梯度和位錯運動密切相關。作者選用的0.005 mm·min-1拉伸速度可以使試驗鋼中的氫充分擴散，減小了試驗外部環境對氫擴散過程的影響[13]。Q-P-T工藝處理的試驗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]，且擴散系數低[15]，故有利于提高試驗鋼的抗氫脆能力[16]；殘余奧氏體也提高了裂紋擴展的門檻值，降低了裂紋擴展速率，提高了裂紋擴展的能量[17]；并且奧氏體富碳減小了基體中的碳含量，從而減小了試驗鋼中的內應力。因此在相同的外部充氫條件下，Q-T-P工藝處理的試驗鋼具有相對較小的氫脆敏感性。

3結論

(1) 相對于傳統Q-T工藝，Q-P-T工藝處理后的試驗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

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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

文獻標志碼：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，學士。

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51101036，51301042,51201093)；國家“973”計劃資助項目(2010CB630803)

收稿日期:2014-08-25；

修訂日期:2015-06-19

DOI:10.11973/jxgccl201510015