任偉偉

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

鋼材中的氫主要是在熔煉和加工過(guò)程中由大氣或潮濕的爐料等物質(zhì)中吸入而溶解于鋼中,在鋼材服役的應(yīng)力梯度作用下氫易向高應(yīng)力區(qū)富集,且氫在材料中吸附、擴(kuò)散、富集并與顯微組織形成交互作用,以形成氫壓、弱化金屬原子鍵合力、降低表面能或促進(jìn)局部塑性變形等方式促使材料提前失效,發(fā)生脆性斷裂[1-4]。

氫在鋼材中的危害極大,各大鋼材生產(chǎn)廠家都竭力減少鋼材中的氫含量,但是降低鋼材中的氫含量,會(huì)增加工藝難度、工藝步驟等,使原材成本增加,生產(chǎn)周期延長(zhǎng)?？荡箜w等[5]研究34CrNi3Mo,26Cr2Ni4MoV,30CrNiMoly的氫致脆化,結(jié)果表明鋼中含氫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不大于0.000 45%時(shí),氫對(duì)上述3種鋼的強(qiáng)度極限和屈服極限無(wú)甚影響。鄭春雷等[6]研究了含W貝氏體鋼發(fā)生氫脆的臨界氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.000 07%,含Mo貝氏體鋼發(fā)生氫脆的臨界氫含量為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.000 06%。近年來(lái)鐵路轍叉普遍采用貝氏體合金鋼材料作為轍叉用鋼優(yōu)選材料,一種用于鐵路轍叉的新型貝氏體合金鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性結(jié)合,其氫脆敏感性未知,而氫脆對(duì)材料力學(xué)性能有重大影響,若鐵路用材中發(fā)生氫脆將產(chǎn)生嚴(yán)重的行車(chē)安全隱患,因此有必要研究該貝氏體合金鋼的氫脆敏感性,為合理制定該材料中的氫含量提供依據(jù),后續(xù)通過(guò)工藝手段控制鋼材中的氫含量,避免該貝氏體合金鋼在使用過(guò)程中產(chǎn)生氫脆。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 測(cè)定氫在貝氏體合金鋼中的擴(kuò)散速率

通過(guò)電化學(xué)方法測(cè)定氫在合金中的擴(kuò)散系數(shù)是一種合理表征氫擴(kuò)散能力的方法,其測(cè)試結(jié)果能反映氫的擴(kuò)散系數(shù)和氫含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)采用由Devanathan和Stachurski[7]共同提出的電化學(xué)氫滲透技術(shù)測(cè)定氫在貝氏體合金鋼中的擴(kuò)散速率,為后續(xù)電化學(xué)充氫時(shí)間的制定提供依據(jù),具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。由一臺(tái)電化學(xué)工作站(CHI660D)、一臺(tái)恒流儀、一個(gè)參比電極(Hg/HgO/NaOH 0.1 mol/L)、兩個(gè)輔助電極(Pt電極)、電解槽和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。

試樣尺寸35 mm×35 mm×2 mm,材質(zhì):貝氏體合金鋼。試樣依次經(jīng)過(guò)300目,800目,1 500目,2 000目的SiC砂紙打磨,然后用丙酮、酒精清洗干凈,自然晾干。再將試樣夾持在電解槽③和④的中間,試樣在電解槽③端和④端暴露的面積均為2.27 cm2。電解槽③為充氫端,電解槽④為逸氫端(見(jiàn)圖1)。試驗(yàn)中充氫槽電解液為0.5 mol/L,H2SO4+0.1 g/L CN2H4S(硫脲),逸氫槽電解液為0.2 mol/L NaOH。在充氫之前首先施加一個(gè)恒定的陽(yáng)極電位,相對(duì)于參比電極為0.3 V,使試樣中殘留的可擴(kuò)散氫全部電離成陽(yáng)極殘余電流,當(dāng)電流小于1 μA時(shí)認(rèn)為試樣中的氫全部逸出。

氫在試樣中的擴(kuò)散系數(shù)(D)可以根據(jù)式(1)計(jì)算(Time-drag Method):

(1)

其中,L為試樣厚度,m;tL為對(duì)應(yīng)于it=0.63i∞的時(shí)間;i∞為電流與時(shí)間的關(guān)系曲線上對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流。

圖2為貝氏體合金鋼的氫滲透瞬態(tài)電流-時(shí)間曲線,采用Time-drag法計(jì)算氫在貝氏體合金鋼中的擴(kuò)散系數(shù)D,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 貝氏體合金鋼氫滲透試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)式(1)計(jì)算出氫在該材料中的擴(kuò)散系數(shù)D=5.2×10-11m2/s,然后將電解槽中溶液倒出,倒入充氫溶液充氫,充氫電流設(shè)定為40 mA/cm2,記錄陽(yáng)極電流與時(shí)間的關(guān)系曲線。

根據(jù)測(cè)得的氫在試樣中的擴(kuò)散系數(shù),可以計(jì)算拉伸試樣電化學(xué)充氫所需要的最短時(shí)間。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氫的擴(kuò)散系數(shù)可以估算試樣充氫過(guò)程中達(dá)到平衡氫濃度所需的時(shí)間,計(jì)算公式如式(2)所示:

(2)

其中,t為試樣充氫過(guò)程中達(dá)到平衡氫濃度所需的時(shí)間;R為拉伸試樣標(biāo)距部分半徑,為2.5×10-3m;D為氫的擴(kuò)散系數(shù),貝氏體合金鋼中為5.2×10-11m2/s。

根據(jù)式(2)計(jì)算出的貝氏體合金鋼充氫過(guò)程中達(dá)到平衡氫濃度所需時(shí)間為4.01×104s,即約11 h。

1.2 貝鋼中氫濃度與電化學(xué)充氫電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

采用不同的充氫電流對(duì)試樣進(jìn)行充氫,檢測(cè)充氫后試樣中的實(shí)際氫含量,建立充氫電流與試樣中實(shí)際氫含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為后續(xù)氫脆敏感性測(cè)試試樣中氫含量的控制提供指導(dǎo)和依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)采用堿性電解液進(jìn)行電化學(xué)充氫,電解液為0.2 mol/L NaOH+0.22 g/L硫脲,充氫試樣接負(fù)極,鉑片接正極。充氫試樣為新型貝氏體合金鋼熱處理后試塊,充氫試樣加工成φ5 mm的圓棒,充氫時(shí)間設(shè)定為24 h,可以認(rèn)為氫在該材料中達(dá)到平衡狀態(tài)。充氫完成后采用電鍍鎘防止試樣中氫逸出,電鍍時(shí)的電流密度為25 mA/cm2, 試樣為陽(yáng)極, 鎘片為陰極,電鍍5 min即可起到防止氫擴(kuò)散逸出。實(shí)驗(yàn)中分別采用0 mA/cm2,0.2 mA/cm2,0.5 mA/cm2,1.0 mA/cm2,3.0 mA/cm2,5.0 mA/cm2和10.0 mA/cm2的充氫電流密度對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)充氫。充氫結(jié)束后檢測(cè)試樣中的實(shí)際氫含量,使用RH600氫測(cè)定儀,紅外吸收法檢測(cè)試樣中氫含量,經(jīng)過(guò)電化學(xué)充氫試驗(yàn),不同充氫電流密度充氫后試樣中對(duì)應(yīng)的氫含量見(jiàn)表2。

表2 充氫電流密度對(duì)應(yīng)氫含量

1.3 不同氫含量下貝鋼的力學(xué)性能

利用電化學(xué)充氫技術(shù)調(diào)控貝鋼拉伸試樣中氫含量(氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.000 09%,0.000 10%,0.000 11%,0.000 13%,0.000 15%,0.000 16%和0.000 21%,對(duì)應(yīng)的充氫電流密度分別為0 mA/cm2,0.2 mA/cm2,0.5 mA/cm2,1.0 mA/cm2,3.0 mA/cm2,5.0 mA/cm2和10.0 mA/cm2),然后采用慢速拉伸試驗(yàn)(應(yīng)變速率2×10-5/s測(cè)定不同氫濃度下的拉伸試樣的力學(xué)指標(biāo),評(píng)定材料產(chǎn)生氫脆時(shí)的臨界氫含量,慢速拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同氫含量下貝鋼的拉伸力學(xué)性能結(jié)果(慢速拉伸)

2 貝鋼的氫脆敏感性評(píng)價(jià)

氫對(duì)合金性能的影響主要表現(xiàn)在合金中存在過(guò)量氫時(shí)的塑性降低,即產(chǎn)生塑性損減,充氫能使大多數(shù)工業(yè)上常用的金屬和合金的塑性指標(biāo)明顯下降,通常以合金塑性值(伸長(zhǎng)率、斷面收縮率)的變化率來(lái)評(píng)價(jià)和比較實(shí)驗(yàn)合金的抗氫脆性能[8]。本文的抗氫脆性能即氫脆敏感性用延伸率或斷面收縮率的損失率IA和IZ來(lái)表示,IA,IZ定義為:

(3)

(4)

其中,A0為不充氫試樣原始拉伸延伸率;AH為不同氫含量試樣慢速拉伸延伸率;Z0為不充氫試樣原始拉伸斷面收縮率;ZH為不同氫含量試樣慢速拉伸斷面收縮率;IA為延伸率損失率;IZ為斷面收縮率損失率。

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并利用式(3)和式(4)計(jì)算不同氫含量下貝氏體合金鋼的延伸率損失率和斷面收縮率損失率,對(duì)應(yīng)貝氏體合金鋼的氫脆敏感性,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同氫含量下貝鋼的氫脆敏感性 %

從表4可以看出試件隨著氫含量的增加,其延伸率和斷面收縮率的損失率增加,兩者呈現(xiàn)正相關(guān),當(dāng)試樣中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.000 13%時(shí),延伸率損失率和斷面收縮率損失率IA和IZ從1.17%和2.38%增加至5.17%和9.6%,當(dāng)氫含量達(dá)到0.000 15%時(shí),其延伸率損失率和斷面收縮率損失率更是大幅增加。因此,當(dāng)試樣中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.000 13%時(shí)貝鋼表現(xiàn)出明顯的塑性損失,低于該含量時(shí)貝鋼的氫脆敏感性不明顯。

3 熱處理對(duì)鋼材中實(shí)際氫含量的影響

去氫退火是利用氫在α-Fe和γ-Fe中具有不同的溶解度和擴(kuò)散系數(shù),氫在α-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)比在γ-Fe中大的多,但氫在α-Fe中的溶解度更低,并且隨著溫度降低,氫在鋼中的溶解度急劇的降低[9],利用這些規(guī)律使鋼在鐵素體狀態(tài)下去氫,提高溫度增大擴(kuò)散系數(shù),保溫一定時(shí)間后,氫在鋼中呈過(guò)飽和狀態(tài),此時(shí)氫開(kāi)始逸出,當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)停止逸出,此時(shí)降低溫度,使氫再次處于過(guò)飽和狀態(tài),氫繼續(xù)逸出,如此反復(fù)達(dá)到去氫目的。

氫的逸出伴隨加熱至高溫后的保溫和降溫,而正火熱處理與去氫工藝有相似之處,正火加熱冷卻過(guò)程如圖3所示,可能伴隨著鋼材的脫氫,因而可能會(huì)影響實(shí)際貝鋼轍叉中的氫含量,實(shí)驗(yàn)測(cè)定了正火工藝過(guò)程對(duì)貝氏體合金鋼中氫含量變化的實(shí)際影響。實(shí)驗(yàn)以新型貝氏體合金鋼的正火工藝進(jìn)行,將該合金鋼加熱至900 ℃奧氏體化保溫3 h,使材料心部達(dá)到奧氏體狀態(tài),然后出爐冷卻至常溫。在同一坯錠的同一截面位置處取正火前后的氫含量測(cè)定試塊,測(cè)定正火工藝對(duì)鋼材中氫含量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)試的兩個(gè)試件經(jīng)正火后氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由0.000 14%降至0.000 11%和由0.000 14%降至0.000 12%,表明正火工藝可減小該鋼材中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.000 02%～0.000 03%。

表5 正火前后試樣中氫含量

4 結(jié)論

鋼材在熔煉及后續(xù)加工過(guò)程中會(huì)有氫溶解于鋼中,過(guò)量的氫會(huì)使鋼材在服役過(guò)程中發(fā)生氫脆,為避免鐵路用材產(chǎn)生氫脆危及行車(chē)安全,本文針對(duì)轍叉用新型貝氏體合金鋼材料進(jìn)行了氫脆敏感性研究:通過(guò)電化學(xué)充氫控制試件的氫含量,采用慢速拉伸測(cè)試不同氫含量試件的斷面收縮率和伸長(zhǎng)率,然后采用伸長(zhǎng)率損失率和斷面收縮率損失率來(lái)評(píng)價(jià)其氫脆敏感性;該貝氏體合金鋼的正火工藝與去氫退火工藝及原理有相似之處,檢測(cè)了該貝氏體合金鋼材料相同坯錠的相同截面在正火熱處理前后的氫含量,得出以下結(jié)論:

1)試驗(yàn)表明該新型貝氏體合金鋼的氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.000 13%時(shí)伸長(zhǎng)率和斷面收縮率快速下降,得出該新型貝氏體合金鋼的臨界氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是0.000 13%,為鐵路轍叉貝氏體鋼材料控制氫含量指標(biāo)提供參考。

2)正火熱處理工藝可以降低該貝氏體合金鋼中的氫含量0.000 02%～0.000 03%,為控制該貝氏體合金鋼中氫含量的方法提供參考。