孫中渠 ， 周慶軍

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

0 引言

馬氏體鋼由于其超高的強(qiáng)度、良好的經(jīng)濟(jì)性而得到廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著汽車(chē)輕量化的推進(jìn)，抗拉強(qiáng)度1 GPa 的馬氏體超高強(qiáng)鋼在汽車(chē)上也得到應(yīng)用[3-5]。然而，由于馬氏體鋼氫脆敏感性較高，在特定的工藝或環(huán)境中易發(fā)生氫致開(kāi)裂[6-10]。

車(chē)廠以厚度為2 mm 的CR980 水淬馬氏體超高強(qiáng)鋼為原料，通過(guò)輥壓成型加工截面尺寸為50 mm×50 mm 的矩形鋼管制造車(chē)架。為保證車(chē)架表面質(zhì)量，車(chē)廠在涂裝前需要對(duì)鋼管進(jìn)行酸洗除銹，其工藝過(guò)程為：脫脂→漂洗→鹽酸酸洗（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl 溶液，30 min）→漂洗。酸洗結(jié)束后對(duì)鋼管進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分鋼管在彎角處產(chǎn)生裂紋（圖1），個(gè)別嚴(yán)重的出現(xiàn)貫穿開(kāi)裂（圖2）。這種開(kāi)裂的發(fā)生輕則導(dǎo)致批量鋼管報(bào)廢，重則會(huì)對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重隱患。此外，令人困惑的是，引起開(kāi)裂的裂紋均從鋼管彎角內(nèi)壁產(chǎn)生，由內(nèi)向外擴(kuò)展，其原因和機(jī)理不清。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬酸洗試驗(yàn)、殘余應(yīng)力分析及氫含量分析等對(duì)該超高強(qiáng)鋼鋼管的開(kāi)裂原因及機(jī)理進(jìn)行分析，確定引起開(kāi)裂的主要因素，并提出預(yù)防與改進(jìn)措施，為相關(guān)企業(yè)和用戶分析類(lèi)似失效問(wèn)題提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 鋼管壓扁性能試驗(yàn)

從未經(jīng)酸洗的成品鋼管上截取寬為20 mm 的矩形環(huán)，用臺(tái)鉗沿對(duì)角線方向壓縮，當(dāng)壓至圖2 所示的變形程度時(shí)，鋼管各彎角都沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂，也沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，說(shuō)明鋼管在不經(jīng)酸洗的情況下具有良好的塑性和抗開(kāi)裂性能。

圖 1 鋼管開(kāi)裂照片F(xiàn)ig.1 Picture of pipe cracking

圖 2 鋼管試樣壓扁試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Flattening test of the pipe

1.2 模擬酸洗試驗(yàn)

從鋼管上截取寬為20 mm 的矩形環(huán)作為試樣。在實(shí)驗(yàn)室配制5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HCl 溶液，并加入適量FeCl2以模擬車(chē)廠酸洗溶液實(shí)際成分，然后對(duì)鋼管試樣進(jìn)行酸洗試驗(yàn)，觀察試樣是否發(fā)生開(kāi)裂。圖3 為經(jīng)過(guò)模擬酸洗后試樣彎角部位的開(kāi)裂情況。由圖可以看出，鋼管經(jīng)過(guò)酸洗后在彎角內(nèi)壁位發(fā)生了開(kāi)裂，與車(chē)廠實(shí)際開(kāi)裂情況基本一致。

圖 3 鋼管經(jīng)模擬酸洗后開(kāi)裂情況Fig.3 Cracking after simulated pickling process

1.3 殘余應(yīng)力分析

鋼管采用輥壓加工成型，鋼管彎角部位的殘余應(yīng)力狀態(tài)和大小與成型工藝相關(guān)。為了解鋼管彎角部位的應(yīng)力情況，從鋼管上截取寬度為20 mm的矩形環(huán)，將矩形環(huán)的一個(gè)邊鋸開(kāi)，由于失去了約束，鋼管在殘余應(yīng)力的作用下發(fā)生回彈變形，如圖4所示，原來(lái)的直角變?yōu)殇J角。由此可以判斷，在完整狀態(tài)下鋼管彎角內(nèi)壁的殘余應(yīng)力為張應(yīng)力而非壓應(yīng)力。

圖 4 形環(huán)鋼管試樣鋸開(kāi)前后對(duì)比照片F(xiàn)ig.4 Pictures of the pipe samples before and after sawing off

為進(jìn)一步了解鋼管周向不同部位的殘余應(yīng)力情況及大小，采用X-Ray 殘余應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)鋼管周邊各不同部位的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，由于受檢測(cè)儀器限制，只能檢測(cè)鋼管外壁的應(yīng)力情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。由圖可見(jiàn)，4 個(gè)彎角外壁頂點(diǎn)，即4、10、16、22 號(hào)點(diǎn)殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，約為100～200 MPa，相應(yīng)地，彎角內(nèi)壁應(yīng)為張應(yīng)力，這與根據(jù)圖4 的直觀判斷結(jié)果一致。

1.4 氫含量測(cè)定

鋼管酸洗過(guò)程中，F(xiàn)e 與HCl 反應(yīng)生成氫，一部分氫會(huì)通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入材料內(nèi)部。為了解鋼管在酸洗過(guò)程中的吸氫情況，從鋼管上取20 mm×100 mm 的平板試樣放入5% HCl 模擬酸洗溶液中浸泡不同時(shí)間，然后用氫分析儀測(cè)量試樣中的擴(kuò)散氫含量，獲得不同酸洗時(shí)間與擴(kuò)散氫含量的關(guān)系曲線，如圖6 所示。可以看出，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，鋼板中擴(kuò)散氫含量增加。當(dāng)浸泡30 min 時(shí)，擴(kuò)散氫含量達(dá)到0.2×10?6，大約為未浸泡試樣的6 倍，如果酸洗時(shí)間延長(zhǎng)，鋼板中的氫含量還將繼續(xù)增大。

圖 5 鋼管周向殘余應(yīng)力分布Fig.5 Circumferential residual stress along the wall of the pipe

圖 6 酸洗不同時(shí)間鋼板的擴(kuò)散氫含量Fig.6 Variation of diffusible hydrogen content with immersion time

2 分析及討論

2.1 開(kāi)裂原因

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼管加工成型后彎角內(nèi)壁產(chǎn)生了較大的殘余張應(yīng)力，在隨后的酸洗過(guò)程中由于吸氫導(dǎo)致內(nèi)部的擴(kuò)散氫含量明顯增大，再加上鋼管為馬氏體組織，具有較大的氫脆敏感性，這就具備了發(fā)生氫致開(kāi)裂的3 個(gè)必要條件[11-12]，因此可以判斷鋼管的開(kāi)裂是由于酸洗導(dǎo)致的氫致脆性開(kāi)裂。

為進(jìn)一步明確裂紋的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程，將圖4所示的完整的和鋸開(kāi)后的矩形環(huán)試樣在模擬酸洗溶液中進(jìn)行浸泡，然后在顯微鏡下觀察彎角開(kāi)裂情況，圖7、圖8 分別為浸泡前后的對(duì)比照片。從圖中可以看出，酸洗前鋼管彎角內(nèi)壁存在一些細(xì)小的微裂紋，裂紋深度約為20～30 μm，是在輥壓成型過(guò)程中產(chǎn)生的，一般情況下對(duì)鋼管的使用性能影響不大。完整的矩形試樣在經(jīng)過(guò)酸溶浸泡后，其中一條微裂紋發(fā)生擴(kuò)展，如圖7 中箭頭所示。而當(dāng)矩形環(huán)剖開(kāi)后，由于彎角內(nèi)壁的張應(yīng)力得到釋放，即使試樣在酸液中浸泡60 min，微裂紋也沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)展（圖8），這充分說(shuō)明鋼管彎角內(nèi)壁的殘余張應(yīng)力是造成裂紋擴(kuò)展的重要原因。鋼管加工成型時(shí)彎角內(nèi)壁產(chǎn)生的微裂紋成為鋼管開(kāi)裂的裂紋源。

圖 7 矩形環(huán)彎角內(nèi)壁裂紋浸泡前后對(duì)比照片F(xiàn)ig.7 Cracks of the pipe specimen before and after immersion test

圖 8 矩形環(huán)鋸開(kāi)后浸泡前后裂紋對(duì)比照片F(xiàn)ig.8 Cracks of the broken pipe specimen before and after immersion test

2.2 改進(jìn)措施

通過(guò)以上試驗(yàn)和分析可以看出，影響鋼管開(kāi)裂的主要原因包括彎角殘余應(yīng)力、酸洗過(guò)程吸收的氫以及鋼管加工過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋缺陷。因此，預(yù)防開(kāi)裂可以從以下幾個(gè)方面采取措施：

1）通過(guò)改善輥壓成型工藝，調(diào)控鋼管彎角殘余應(yīng)力狀態(tài)，盡可能減小彎角內(nèi)壁的張應(yīng)力；

2）優(yōu)化鋼管彎角尺寸，適當(dāng)放大曲率半徑，減少輥壓成型中微裂紋的產(chǎn)生；

3）鋼管成型后通過(guò)適當(dāng)?shù)姆栏胧p輕銹蝕程度，縮短酸洗時(shí)間，以減少酸洗過(guò)程中氫的吸收量。

3 結(jié)論

1）馬氏體超高強(qiáng)鋼鋼管的開(kāi)裂是由于酸洗導(dǎo)致的氫致脆性開(kāi)裂；

2）鋼管成型過(guò)程中產(chǎn)生的彎角內(nèi)壁張應(yīng)力、原始微裂紋以及酸洗吸氫是導(dǎo)致開(kāi)裂的主要因素；

3）預(yù)防鋼管開(kāi)裂的主要措施包括改善成型工藝、增大彎角半徑、縮短酸洗時(shí)間等。