變形對汽車用鐵素體不銹鋼微觀組織及抗氫性能的影響★

李 茜

（山西工程職業學院， 山西 太原 030009）

鐵素體不銹鋼具有良好的力學性能以及優異的耐腐蝕性，而且其相對價格較低，在日常家用電器、交通工具、工業生產以及儲氫材料中應用廣泛[1]。然而在生產生活實際應用過程中，氫致斷裂往往造成難以彌補的災難[2]。不管在何種情況下引入材料內部，當材料內部氫含量達到一定值后均會造成不同程度的損傷，因為汽車尾氣中含有大量的H2S 氣體，所以汽車排氣筒用鋼更容易受到氫脆的困擾。鐵素體不銹鋼材料內部存在大量能量較低的缺陷位置，可以作為氫陷阱，對氫的吸收、擴散及分布存在巨大作用[3]。材料內部氫陷阱主要為：空位、位錯、孿晶界、晶界、第二相析出以及夾雜物等[4]。有關氫脆的研究已有很多，但由于氫原子的特殊性和設備的局限性，在微觀尺度檢測以及斷裂機理方面的研究還遠遠不夠。

本文以汽車用430 鐵素體不銹鋼為研究對象，對材料進行充氫，將相同厚度的實驗鋼在退火態、20%和40%軋制態三種狀態下，分析其拉伸性能、氫含量等，研究變形對430 鐵素體不銹鋼抗氫性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗材料為太鋼提供5 mm 厚退火態430 鐵素體不銹鋼。

軋制工藝為將5mm 厚的鋼條冷軋成三種厚度，分別為2 mm、2.5 mm 和3.3 mm，然后在800 ℃退火20 min，最后都冷軋至2 mm 厚板，之后拉伸試樣在1 mol/L NaOH+1 g/L 硫脲中50 mA/cm2的電流密度下充氫4 h，圖1 為充氫所用裝置，然后以3.3×10-4/s 的速率慢應變拉伸[5]。

圖1 電化學充氫示意圖

表1 實驗用鋼的化學成分 %

為保證充氫溶液的唯一性，每對一個試樣進行充氫試驗后，均需要更換相同的電解液進行下個試樣的充氫試驗。待充氫拉伸試樣接入電源負極，電源正極接入金屬鉑片，因電化學反應，負極區發生析氫反應：H++e-=[H]。電化學反應產生大量的氫原子，氫原子很容易結合形成氫分子，因而硫脲的加入是為了減少氫原子大量的結合為氫分子，避免降低陰極試樣表面的氫原子濃度，最終實現有效的電化學陰極充氫實驗。氫離子與金屬表面相互作用，吸附于金屬表面，后發生一系列化學反應，最終成為溶解在材料內部的氫[6]。

下文中將2mm 退火的試樣標記為A（Annealing），軋制的試樣標記為R（Rolling），充氫后標記為-H，如R40%表示40%軋制態的未充氫實驗鋼，A-H 表示退火態充氫后的實驗鋼。

2 實驗結果與分析

2.1 拉伸性能

圖2 分別顯示了在不同狀態下實驗鋼的應力-應變曲線。

圖2 不同狀態實驗鋼充氫前后拉伸曲線

分析圖2 可知，隨著變形，實驗鋼強度增大，塑性降低，這是由于變形細化晶粒同時使得位錯密度增加；甚至在變形40%后，驗鋼伸長率僅有2%左右。

所有狀態實驗鋼充氫后強度增大，充氫導致材料屈服強度上升，主要原因如下：一方面，氫原子對材料產生固溶強化作用；另一方面，充氫可以導致材料內部位錯滑移局部化。氫促進局部塑性變形而導致“氫致硬化”[7-8]。

R40%-H 的變形曲線，用：

表示氫脆敏感性[9]，IHE（δ）為材料的氫致伸長率降低率，δ0為未充氫時的伸長率；δH為充氫后的伸長率。所有數據列于表2 中，可以看到退火態有輕微的氫脆敏感性，而軋制態氫脆敏感性較嚴重，R20%的氫脆敏感性高達81.6%，而R40%實驗鋼幾乎完全沒有抗氫性。

表2 各狀態實驗鋼氫脆敏感性 %

在本實驗中，隨著變形量的增加，實驗鋼氫脆敏感性大幅度增加，一方面由于氫在體心立方（bcc）結構的鐵素體不銹鋼中的擴散系數為10-12m2/s，較容易擴散；另一方面，可動位錯可以傳輸氫，造成氫局部偏聚，導致氫致裂紋形核，即位錯密度提高會降低氫脆抗力[9]。故對于430 鐵素體不銹鋼，軋制態不適于在氫環境中使用。

2.2 氫含量

為了測量實驗鋼中氫含量隨變形的變化過程，我們使用了熱脫附譜儀（TDS）分析來定量檢測氫的含量，充氫電流密度與充氫時間與拉伸實驗中相同，TDS 從30℃到800℃進行升溫，升溫速率為100℃/h。不同變形量下AISI 430 鐵素體不銹鋼的氫脫附率與溫度曲線如圖3-1 所示。三種實驗鋼在100 ℃左右均出現了一個明顯的低溫峰，這可能是由于晶界和位錯所致，在400 ℃左右出現了一個輕微的高溫峰，這可能是由于鐵素體鋼中析出物所致，而且隨著變形量的增大兩個峰的峰值越來越高，低溫峰尤其明顯，這是因為大變形量實驗鋼中位錯更多。圖3-2 為三種變形量的實驗鋼中的氫含量。隨著溫度的升高，預充氫逐漸釋放，可以看到退火態實驗鋼中最終釋放氫含量（質量分數）3.2×10-6，20%變形量的實驗鋼含有4.8×10-6氫，而40%變形量的實驗鋼含有6.0×10-6氫，很明顯，隨著變形量的增大，實驗鋼預充氫含量逐漸增多，與2.1 節中所述氫脆敏感性對應，也就是說，實驗鋼變形量越大，位錯等缺陷越多，預充氫含量越多，氫脆敏感性越高，也能看出，極少量的氫就會對鐵素體不銹鋼塑性產生極大的影響。

圖3 不同狀態實驗鋼TDS 分析結果

2.3 氫脆機理

氫原子容易在晶格間隙、裂紋尖端、析出相附近等位置富集，而高濃度的氫可能引起晶格內結合強度的顯著降低，減弱解理面或晶界的結合，從而導致解理和準解理裂紋擴展。下頁圖4 為氫致開裂示意圖[7]。

圖4 氫聚集在（i）晶格間隙（ii）裂紋尖端（iii）析出相與基體界面處

而氫的存在導致材料塑性的嚴重損失，這歸因于氫與內部組織及各種缺陷的相互作用關系。因體心立方結構材料特有的高氫擴散速率特征，氫以位錯、空位等組織缺陷為主的擴散通道，在拉伸實驗過程中，氫隨組織形變快速擴散至微裂紋尖端。一方面氫原子以固溶原子的形式有效提高了材料力學性能；另一方面加速裂紋擴散，導致材料失效斷裂。變形后充氫材料斷口表面解理斷裂區的形成主要歸因于材料組織內局部區域高的氫濃度，當氫濃度達到一定臨界值時則會導致原子界面結合強度的降低，致使微裂紋的形成。Ta¨htinen[10]與Malitckii[11]等人研究表明，鐵素體不銹鋼中充氫后微裂紋的形成與擴展主要沿{110}晶面。

3 結論

1）隨著逐漸增大的變形量，430 鐵素體不銹鋼強度升高，塑性降低。

2）430 鐵素體不銹鋼退火態充氫后，有輕微的氫脆敏感性，但軋制態充氫后氫脆敏感性極高,不適合用在有氫環境中。

3）隨著變形量的增大，相同充氫條件下實驗鋼的氫含量越多，在100 ℃左右有明顯低溫峰，釋放由晶界和位錯吸附的氫，在400 ℃左右有微弱的高溫峰，釋放由析出物吸附的氫。