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        不同成型工藝的材料抗氫致開(kāi)裂性能比較

        2016-12-25 01:49:17費(fèi)勤楠孔韋海
        化工機(jī)械 2016年2期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        費(fèi)勤楠 孔韋海

        (合肥通用機(jī)械研究院 國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室)

        不同成型工藝的材料抗氫致開(kāi)裂性能比較

        費(fèi)勤楠*孔韋海

        (合肥通用機(jī)械研究院 國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室)

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

        壓力容器 材料成型工藝 氫致開(kāi)裂 性能影響

        鑄、鍛、軋是壓力容器用金屬材料常見(jiàn)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(chǎn)生在材料鑄造缺陷處,使用前應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行檢查。鍛造是利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力,使它產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工方法,鍛件經(jīng)鍛造后組織較鑄件更細(xì)小、致密,但材料中的非金屬夾雜物(如硫化錳)經(jīng)過(guò)鍛打后可能成為類(lèi)似軋板中的片狀形態(tài),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(guò)一對(duì)旋轉(zhuǎn)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(zhǎng)度增加的壓力加工方法,軋制成型鋼板之所以會(huì)產(chǎn)生氫致開(kāi)裂,是因?yàn)樵谄瑺願(yuàn)A雜物處、組織不連續(xù)處及帶狀組織處等部位滲入的氫原子生成氫分子而產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋的形成。因此,在鋼的冶煉和澆鑄過(guò)程中,需要控制夾雜物的數(shù)量和形態(tài)分布。

        目前,在濕硫化氫腐蝕環(huán)境中,常用的評(píng)價(jià)材料抗氫致開(kāi)裂性能的標(biāo)準(zhǔn)方法NACE TM0284-2011和GB/T 8650-2006是針對(duì)管線鋼和軋制鋼板制定的。李鶴林等對(duì)管線鋼和軋制鋼板進(jìn)行了深入研究[1~3],對(duì)材料的成分、夾雜物等對(duì)抗氫致開(kāi)裂的影響進(jìn)行了分析,并對(duì)濕硫化氫環(huán)境中使用鋼材的現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。但是,針對(duì)壓力容器用鑄件和鍛件的抗氫致開(kāi)裂性能試驗(yàn)方法和研究還鮮有報(bào)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(jìn)行抗氫致開(kāi)裂性能試驗(yàn)。

        1 試驗(yàn)方法

        抗氫致開(kāi)裂(HIC)試驗(yàn)按照NACE TM0284-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。每種試驗(yàn)材料各制備3根尺寸為100mm×20mm×20mm的長(zhǎng)方體,表面用320#砂紙打磨,經(jīng)丙酮清洗除油,干燥后進(jìn)行試驗(yàn)。試樣放入配置好并除氧的溶液中(本次試驗(yàn)溶液為5%NaCl(wt)+0.5%CH3COOH(wt)+飽和硫化氫水溶液,配制完成時(shí),試驗(yàn)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(yàn)溶液的pH測(cè)試值為3.0,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)溶液的pH測(cè)試值為3.7。

        表1為NACE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3種試驗(yàn)材料化學(xué)成分的具體要求,試驗(yàn)所選用的材料均滿足對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表1 NACE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3種試驗(yàn)材料的化學(xué)成分要求 wt%

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        按照HIC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求放大100倍對(duì)斷面進(jìn)行檢查,經(jīng)600#、1 000#、2 000#砂紙打磨后機(jī)械拋光,觀察評(píng)定試板的裂紋長(zhǎng)度敏感率(CLR)、裂紋厚度敏感率(CTR)和裂紋敏感率(CSR),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,不同材料的金相照片如圖1~3所示。

        表2 HIC 試驗(yàn)結(jié)果(3根試樣平均值)

        3種材料裂紋觀察結(jié)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(tài)和分布不規(guī)則;16Mn材料組織更加均勻,鐵素體與珠光體交錯(cuò)分布,顯示良好的物理性能,試驗(yàn)顯示對(duì)氫致開(kāi)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(chǎn)生裂紋,所以抗氫鋼對(duì)帶狀組織要求較嚴(yán)。

        根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)材料的組織與夾雜物形態(tài)不同。一般情況下,鋼最終性能的好壞是由其金相組織來(lái)決定的。金相組織直接影響鋼的抗氫致開(kāi)裂性能[4],如淬火+高溫回火的金相組織為細(xì)小彌散的球狀碳化物,氫鼓泡對(duì)這種組織的敏感性最低,而對(duì)未回火的馬氏體組織則敏感性最高。鑄件為鑄態(tài)組織,晶粒粗大,成分偏析嚴(yán)重且組織不均勻,其氫致裂紋容易產(chǎn)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(chǎn)生應(yīng)力集中,造成開(kāi)裂。鍛件由鋼錠鍛造后組織較鑄件細(xì)小、致密,但材料中的非金屬夾雜物如MnS經(jīng)過(guò)鍛造后容易成為片狀或不規(guī)則多邊形,氫滲入后在夾雜物或鍛造裂紋處聚集,造成開(kāi)裂。

        圖1 WCB鑄件HIC試驗(yàn)的部分金相照片

        圖2 16Mn鍛件HIC試驗(yàn)的部分金相照片

        圖3 Q345R熱軋鋼板HIC試驗(yàn)的部分金相照片

        材料中非金屬夾雜物來(lái)源有內(nèi)生或外來(lái),內(nèi)生夾雜物是鋼在脫氧和凝固時(shí)產(chǎn)生的。由于鋼的冶煉過(guò)程是氧化-還原過(guò)程,在鋼中存在大量的氧、氮及硫等雜質(zhì)元素,為降低雜質(zhì)元素的有害作用,在冶煉過(guò)程中進(jìn)行脫氧和脫硫處理,部分脫氧和脫硫的產(chǎn)物殘留在鋼中形成夾雜物。外來(lái)夾雜物是在冶煉過(guò)程中熔渣等物質(zhì)進(jìn)入鋼中并滯留在其中形成的[5,6]。Q345R鋼在冶煉過(guò)程中,通過(guò)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(duì)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(guò)程中,夾雜物不能隨金屬發(fā)生變形,就會(huì)在夾雜物周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中,夾雜物發(fā)生破裂或者夾雜物與金屬分離產(chǎn)生裂紋。在大多數(shù)情況下,氫致開(kāi)裂都起源于夾雜物,鋼中的夾雜物是產(chǎn)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(diǎn)鏈狀?yuàn)A雜。因此,為了提高抗氫致開(kāi)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(tài)[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(tài)多為圓形;16Mn和Q345R夾雜物較少,其中Q345R有鏈狀?yuàn)A雜,隨著氫在夾雜物處聚集,會(huì)連成一線,造成開(kāi)裂。

        圖4 3種材料的夾雜物部分金相照片

        3 結(jié)束語(yǔ)

        由抗氫致開(kāi)裂試驗(yàn)可知,鑄件與鍛件對(duì)氫致開(kāi)裂不敏感,幾乎不出現(xiàn)氫致裂紋;鑄件無(wú)氫鼓泡現(xiàn)象,鍛件少量出現(xiàn),而軋板表面氫鼓泡較多,初步判斷與其組織和夾雜物形態(tài)有關(guān);3種不同成型工藝的材料中夾雜物的數(shù)量與形態(tài)對(duì)氫致裂紋起決定性作用。

        [1] 李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[J].中國(guó)機(jī)械工程,2001,12(3):349~352.

        [2] 姜放,饒威.酸性環(huán)境中壓力容器用鋼及腐蝕防護(hù)新發(fā)展[J].天然氣工業(yè),1999,19(1):94~97.

        [3] 劉生,張一任,韓金節(jié).夾雜物對(duì)16MnR(HIC)鋼板抗氫開(kāi)裂的影響[J].壓力容器,2001,18(2):20~24.

        [4] 肖紀(jì)美.應(yīng)力作用下的金屬腐蝕[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1990:10~86.

        [5] 朱民進(jìn).鋼中非金屬夾雜物對(duì)性能的影響[J].電氣牽引,2004,(2):55~56.

        [6] 張愛(ài)梅.非金屬夾雜物對(duì)鋼的性能的影響[J].物理測(cè)試,2006,24(4):42~45.

        [7] 戰(zhàn)東平,姜周華,王文忠,等.高潔凈度管線鋼中元素的作用與控制[J].鋼鐵,2001,36(6):67~70.

        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(fèi)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)

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