0Cr16Ni5Mo材料氫脆試驗研究

謝清程，楊文凱，史俊武，鄭文杰

（1．中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031；2．鋼鐵研究總院，北京 100081）

0 引言

0Cr16Ni5Mo不銹鋼是瑞典、德國等國在0Cr13Ni5Mo不銹鋼的基礎上發展起來的鋼種[1]，是一種典型的高強馬氏體時效鋼，不但具有優良的強度和較好的塑韌性，而且疲勞性能和腐蝕疲勞性能比304、316、17-4PH、1Cr17Ni2等不銹鋼優異[2-4]，作為調距槳連接螺栓在海洋中使用比較廣泛。

某船調距槳連接螺栓在使用多年后的維修中，發現部分螺栓出現裂紋。而國外進口的同種材料在相同的環境使用條件下工作十幾年后卻未出現類似問題。經分析發現，導致螺栓失效的主要原因是在有陰極保護及海水環境中，螺栓產生析氫，氫致裂紋快速擴展，導致了螺栓的失效。由于馬氏體時效鋼固有的特性，容易產生氫脆，但其成分與熱處理工藝對其氫致敏感性有很大的影響，合理的成分與工藝能夠延長材料的壽命。

本研究對國內外高強鋼0Cr16Ni5Mo的抗氫滲透行為進行對比研究，比較其抗斷裂能力的優劣，同時對經過不同熱處理制度獲得的不同強度國產鋼進行抗氫脆研究，比較0Cr16Ni5Mo不同時效處理后的抗氫脆能力，試驗研究表明經過淬火 500℃回火、550℃回火后的試樣抗氫脆能力較好。

1 試驗方法

1.1 材料化學成分及熱處理狀態

表1是某型船進口調距槳連接螺栓（舊、新）和國產螺栓的材料化學成分分析結果及0Cr16Ni5Mo的化學成分規范要求。由表1可以看出，進口螺栓主要合金元素含量基本與國產螺栓一致，但國外螺栓中微量雜質元素P、S的含量明顯高于國產螺栓。

表1 材料化學成分分析結果及技術條件規定要求對照（單位：W/(%)）

在調距槳連接螺栓分析報告中[5]，對進口螺栓和國產螺栓材料在不同回火溫度下的金相組織及顯微維氏硬度進行了分析，分析得出進口螺栓材料實際回火溫度不低于 500℃，但低于 550℃。與進口螺栓對比看出，國產螺栓使用狀態的硬度明顯高于進口螺栓，其回火處理溫度應該是在400～500℃℃之間，但是低于500℃。500℃及550℃回火后，由于細小碳化物沿回火馬氏體板條析出，使得回火馬氏體的板條組織形貌更加清晰。較高的回火溫度在降低材料強度的同時，可明顯降低馬氏體不銹鋼的氫脆敏感性。

選取表2中材料熱處理制度試樣進行抗氫脆性能試驗研究。評定氫脆的試驗方法主要有彎曲試驗法、斷面收縮率比較法、慢應變速率法、氫滲透法。本文試驗研究采用慢應變速率法和氫滲透法。

表2 試樣熱處理制度表

1.2 充氫慢拉伸試驗

將線切割的啞鈴形試樣片用水砂紙逐級打磨至600#，丙酮除油后，用鉛筆在試樣上標距30mm，準確測量試樣標距內的尺寸。用HZ704粘合劑封住試樣的標距以外部分（見圖1），以防止腐蝕介質腐蝕標距以外部分。再用HZ704粘合劑將試樣下部與容器粘牢（見圖2）。拉伸時的環境介質包括：快速滲氫液H2SO40.5mol/L、少量As2O3、海水（取自大連）和5%NaCl。用WDML-1型微機控制慢應變速率試驗機，加200mA/cm2的電流（在5%NaCl中加-1VSCE的電位）預充氫4h后，以0.003mm/min的速率進行慢拉伸試驗（充氫不停止）（見圖3）。同時做未充氫試樣的空白試驗。

圖1 試樣標距、封護后照片

圖2 試樣與容器粘合后的照片

圖3 滲氫拉伸時的照片

1.3 滲氫及析氫量測試

試樣為φ5mm×50mm的鋼棒，在一端焊接上銅導線，兩端用環氧樹脂封固，進行充氫試驗：充氫介質分別為快速滲氫液、海水（取自大連）和5%NaCl水溶液。快速滲氫液為H2SO40.5mol/L和少量As2O3水溶液。充氫電流密度為-200mA/cm2，充氫時間分別為70min、480min和5d，充氫結束后，取出鋼棒，立即放在盛滿硅油的量筒中，量筒倒置24h，以檢測鋼棒析出氫氣的體積（見圖4）。

圖4 析氫量測試圖

2 試驗結果與分析

2.1 慢拉伸試驗結果與分析

圖5 試樣在不同介質中斷裂伸長率比較

圖6 試樣在不同介質中抗拉強度比較

從圖5可以看出，試樣的斷裂伸長率前后數據規律性不強，原因之一是試樣的斷裂伸長率都很小，甚至有的延伸率在測量的誤差偏差范圍內，就造成了結果較大偏差。

材料滲氫后的強度損傷率能夠反映不同熱處理狀態下，其材料由于析氫造成的強度損傷程度，同時也能對材料的析氫能力進行比較，預估其使用壽命。由于在5%NaCl的滲氫時產生大量的氯氣，采用了恒電位的滲氫方式，因此不同滲氫方式的強度損傷率不能進行比較，但這種滲氫方式與實際使用環境條件更接近。

從圖5和圖6中可以看出，空拉試驗時試樣A的抗拉強度最大，試樣的抗拉強度從大到小依次為A＞AB＞AA＞AC＞B＞AD，其中AA、AB相差不大，B、AD相差不大，斷裂伸長率從大到小的順序為AB＞AD＞AA＞AC＞B＞A，試樣都表現為韌性斷裂，試樣的強度和塑性反應了材料在空氣環境下熱處理對材料強度和塑性的影響。

從圖7至圖9可知，試樣在快速滲氫液、海水中同時加-200mA/cm2的恒電流條件下，在5%NaCl溶液中同時加-1.00VSCE恒電位條件下，抗拉強度、斷裂伸長率變化規律基本一致，即試樣的抗拉強度損傷率規律為，原始狀態和 450℃下損傷率最大，國產試樣 500℃和 550℃與進口試樣的強度損傷率較小。

圖7 試樣在快速滲氫液滲氫后的強度損傷率比較

圖8 試樣在海水中滲氫后的強度損傷率比較

圖9 試樣在5%NaCl溶液中滲氫后的強度損傷率比較

2.2 滲氫及析氫量測試

本文僅給出快速滲氫液中滲70min后，各試樣滲入又析出的自由氫量（見圖10）。

國產試樣經過熱處理的比沒有經過熱處理的滲入且析出的自由氫量要少，其中回火溫度為450℃的 AB棒析出的自由氫量最小，但比進口試樣高22.6%。從圖10可以看出，進口試樣的自由氫含量要低于國產材料在不同熱處理狀態下的自由氫的含量。

圖10 試樣在滲氫液中的滲入且析出的氫體積比較

3 結束語

通過對進口、國產調距槳連接螺栓用0Cr16Ni5Mo材料進行了不同溫度的熱處理試驗，滲氫液、海水及5%NaCl介質下的慢拉伸、析氫量測試等試驗，研究了國內材料不同熱處理制度下及進口螺栓實物取樣材料下的氫損傷后相關機械性能的下降情況，氫擴散、滲透性能，可得熱處理制度對抗氫脆性能影響很大，國產試樣A抗氫脆能力小于國外試樣B，經過淬火500℃回火AC、550℃回火后的AD試樣抗氫脆能力較好，但仍低于國外試樣，這可能與材料的化學成分、金相組織的差異等因素有關[4]。

[1]過潔, 龍友松.0Cr16Ni5Mo不銹鋼應用特性的研究[J].大電機技術, 2001(3): 44-47.

[2]陳繼志, 王嘉敏, 殷江寧, 等.0Cr16Ni5Mo不銹鋼疲勞性能研究[J].材料開發與應用, 2002(6): 6-10.

[3]易小冬, 謝清程, 陳繼志, 等.調距槳槳轂螺栓材料試驗研究[J].船舶工程, 2005, 27(2): 36-40.

[4]陳繼志, 王嘉敏, 袁亞民.熱處理對0Cr16Ni5Mo鋼力學性能和組織的影響[R].2002.

[5]國家鋼鐵材料測試中心分析報告[R].2009.