不同成型工藝的材料抗氫致開裂性能比較

費勤楠 孔韋海

(合肥通用機械研究院 國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心安徽省壓力容器與管道安全技術省級實驗室)

不同成型工藝的材料抗氫致開裂性能比較

費勤楠*孔韋海

(合肥通用機械研究院 國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心安徽省壓力容器與管道安全技術省級實驗室)

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

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，氫致裂紋容易產生在材料鑄造缺陷處，使用前應對材料進行檢查。鍛造是利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使它產生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工方法，鍛件經鍛造后組織較鑄件更細小、致密，但材料中的非金屬夾雜物(如硫化錳)經過鍛打后可能成為類似軋板中的片狀形態，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旋轉軋輥的間隙(各種形狀)，因受軋輥的壓縮軋制使材料截面減小、長度增加的壓力加工方法，軋制成型鋼板之所以會產生氫致開裂，是因為在片狀夾雜物處、組織不連續處及帶狀組織處等部位滲入的氫原子生成氫分子而產生應力集中導致裂紋的形成。因此，在鋼的冶煉和澆鑄過程中，需要控制夾雜物的數量和形態分布。

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

1 試驗方法

抗氫致開裂(HIC)試驗按照NACE TM0284-2011標準進行。每種試驗材料各制備3根尺寸為100mm×20mm×20mm的長方體，表面用320#砂紙打磨，經丙酮清洗除油，干燥后進行試驗。試樣放入配置好并除氧的溶液中(本次試驗溶液為5%NaCl(wt)+0.5%CH3COOH(wt)+飽和硫化氫水溶液，配制完成時，試驗溶液的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后試驗溶液的pH測試值為3.0，試驗結束時溶液的pH測試值為3.7。

表1為NACE標準對3種試驗材料化學成分的具體要求，試驗所選用的材料均滿足對應的標準要求。

表1 NACE標準對3種試驗材料的化學成分要求 wt%

2 試驗結果與分析

按照HIC試驗標準的要求放大100倍對斷面進行檢查，經600#、1 000#、2 000#砂紙打磨后機械拋光，觀察評定試板的裂紋長度敏感率(CLR)、裂紋厚度敏感率(CTR)和裂紋敏感率(CSR)，試驗結果見表2，不同材料的金相照片如圖1～3所示。

表2 HIC 試驗結果(3根試樣平均值)

3種材料裂紋觀察結束后，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，形態和分布不規則；16Mn材料組織更加均勻，鐵素體與珠光體交錯分布，顯示良好的物理性能，試驗顯示對氫致開裂不敏感；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生裂紋，所以抗氫鋼對帶狀組織要求較嚴。

根據試驗結果分析試驗材料的組織與夾雜物形態不同。一般情況下，鋼最終性能的好壞是由其金相組織來決定的。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小彌散的球狀碳化物，氫鼓泡對這種組織的敏感性最低，而對未回火的馬氏體組織則敏感性最高。鑄件為鑄態組織，晶粒粗大，成分偏析嚴重且組織不均勻，其氫致裂紋容易產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，產生應力集中，造成開裂。鍛件由鋼錠鍛造后組織較鑄件細小、致密，但材料中的非金屬夾雜物如MnS經過鍛造后容易成為片狀或不規則多邊形，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試驗的部分金相照片

圖2 16Mn鍛件HIC試驗的部分金相照片

圖3 Q345R熱軋鋼板HIC試驗的部分金相照片

材料中非金屬夾雜物來源有內生或外來，內生夾雜物是鋼在脫氧和凝固時產生的。由于鋼的冶煉過程是氧化-還原過程，在鋼中存在大量的氧、氮及硫等雜質元素，為降低雜質元素的有害作用，在冶煉過程中進行脫氧和脫硫處理，部分脫氧和脫硫的產物殘留在鋼中形成夾雜物。外來夾雜物是在冶煉過程中熔渣等物質進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生變形，就會在夾雜物周圍產生應力集中，夾雜物發生破裂或者夾雜物與金屬分離產生裂紋。在大多數情況下，氫致開裂都起源于夾雜物，鋼中的夾雜物是產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點鏈狀夾雜。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[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，但形態多為圓形；16Mn和Q345R夾雜物較少，其中Q345R有鏈狀夾雜，隨著氫在夾雜物處聚集，會連成一線，造成開裂。

圖4 3種材料的夾雜物部分金相照片

3 結束語

由抗氫致開裂試驗可知，鑄件與鍛件對氫致開裂不敏感，幾乎不出現氫致裂紋；鑄件無氫鼓泡現象，鍛件少量出現，而軋板表面氫鼓泡較多，初步判斷與其組織和夾雜物形態有關；3種不同成型工藝的材料中夾雜物的數量與形態對氫致裂紋起決定性作用。

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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)