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關(guān)于鋼鐵的氫脆斷裂,這篇是我見(jiàn)過(guò)說(shuō)的最通俗易懂的

發(fā)布日期:2018-01-23

  我們先來(lái)看幾個(gè)事故案例——

  第二次世界大戰(zhàn)初期,英國(guó)皇家空軍一架Spitpie戰(zhàn)斗機(jī)由于引擎主軸斷裂而墜落,機(jī)毀人亡,此事曾震驚英國(guó)朝野。

  1975年美國(guó)芝加哥一家煉油廠,因一根15cm的不銹鋼管突然破裂,引起爆炸和火災(zāi),造成長(zhǎng)期停產(chǎn)。

  法國(guó)在開(kāi)采克拉克氣田時(shí),由于管道破裂,造成持續(xù)一個(gè)月的大火。

  我國(guó)在開(kāi)發(fā)某大油田時(shí),也曾因管道破裂發(fā)生過(guò)井噴,損失慘重。

  美國(guó)“北極星”導(dǎo)彈因固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼破裂而不能發(fā)射,美空軍F-11戰(zhàn)斗機(jī)在空中突然墜毀等。

  途中行駛的汽車因傳動(dòng)軸突然斷裂而翻車,正在機(jī)床上切削的刀具突然斷裂等事故枚不勝舉。

  這些災(zāi)難性的惡性事故,瞬時(shí)發(fā)生,事先毫無(wú)征兆,斷裂無(wú)商量,嚴(yán)重地威脅著人們生產(chǎn)財(cái)產(chǎn)安全。起初科學(xué)工作者們對(duì)出事原因,眾說(shuō)紛紜,一籌莫展。后來(lái)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察和研究,終于探明這一系列的惡性事故的罪魁禍?zhǔn)?mdash;—氫脆。

揭開(kāi)氫脆斷裂之迷

  氫脆通常表現(xiàn)為鋼材的塑性顯著下降,脆性急劇增加,并在靜載荷下(往往低于材料的σb)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后發(fā)生破裂破壞的趨勢(shì)。眾所周知,氫在鋼中有一定的溶解度。

  煉鋼過(guò)程中,鋼液凝固后,微量的氫還會(huì)留在鋼中。通常生產(chǎn)的鋼,其含氫量在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。氫在鋼中的溶解度隨溫度下降而迅速降低,過(guò)飽和的氫將要析出。

  氫是在鋼鐵中擴(kuò)散速度最快的元素,其原子半徑最小,在低溫區(qū)仍有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力。

  如果冷卻時(shí)有足夠的時(shí)間使鋼中的氫逸出表面或鋼中的氫含量較低時(shí),則氫脆就不易發(fā)生。

  如果冷卻速度快,鋼件斷面尺寸比較大或鋼中氫含量較高時(shí),位于鋼件中心部分的氫來(lái)不及逸出,過(guò)剩的氫將進(jìn)入鋼的一些缺陷中去,如枝晶間隙、氣孔內(nèi)。若缺陷附近由于氫的聚集會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓而導(dǎo)致微裂紋的萌生與擴(kuò)展。這是由于缺陷吸附了氫原子之后,使表面能大大降低,從而導(dǎo)致鋼材破壞所需的臨界應(yīng)力也急劇降低。

  一般來(lái)說(shuō),鋼的氫脆發(fā)生在-50℃~100℃之間。溫度過(guò)低時(shí),氫的擴(kuò)散速度太慢,聚集少不會(huì)析出;高溫時(shí)氫將被“烤”出鋼外,氫脆破壞也不大會(huì)發(fā)生。

  隨著科學(xué)的發(fā)展,人們又發(fā)現(xiàn)氫脆機(jī)理的新觀點(diǎn):氫促進(jìn)了裂紋尖端區(qū)塑性變形,而塑性變形,又促進(jìn)了氫在該區(qū)域內(nèi)濃集,從而降低了該區(qū)的斷裂應(yīng)力值,這就促進(jìn)了微裂的產(chǎn)生,裂紋的擴(kuò)展也伴隨著塑性流變。

影響鋼氫脆斷裂的因素

  人們經(jīng)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn),影響鋼氫脆斷裂的因素主要有如下三方面:

環(huán)境因素

  如鋼在含氫量較高的環(huán)境中,如水、酸、氫氣中時(shí),氫通過(guò)吸附在鋼鐵表而擴(kuò)散,造成鋼變脆。同時(shí)氫分壓對(duì)氫裂紋擴(kuò)展速度有明顯的影響,提高氫氣壓力會(huì)增加氫脆敏感性。

強(qiáng)度因素

  一般來(lái)說(shuō),鋼的強(qiáng)度越高,氫脆敏感性越大。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家明文規(guī)定“高強(qiáng)度鋼不準(zhǔn)酸洗”就是為了防止氫脆。而化學(xué)成分是通過(guò)強(qiáng)度來(lái)影響鋼的氫脆斷裂,這是因?yàn)闅浜蚐、P等原子偏析于晶界會(huì)引起晶界結(jié)合力減弱,從而促使沿晶界首先斷裂。

  熱處理也已查明,鋼的氫脆與其顯微組織和熱處理有密切的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)和事實(shí)標(biāo)明,該組織在熱力學(xué)上穩(wěn)定性愈差,則氫脆的敏感性愈大。例如珠光體、鐵素體組織的氫脆傾向遠(yuǎn)低于馬氏體,而且網(wǎng)狀分布的高碳馬氏體最敏感。

熱處理防氫脆措施

  在熱處理產(chǎn)業(yè)鏈上,多道工序需要酸洗,如淬火后回火前的酸洗、回火后噴砂前酸洗、蒸汽處理或氧氮化前酸洗、TiN等表面強(qiáng)化前的酸洗以及電鍍前的酸洗等。酸洗在不同階段其目的是不一樣的,有的是為了去除氧化皮,有的是為了提高工件表面活性,有的是為了縮小尺寸等。傳統(tǒng)的酸洗工藝繁瑣、流程長(zhǎng)、成本高、能耗大、污染嚴(yán)重、勞動(dòng)條件差等,更為可怕的是對(duì)鋼材內(nèi)在質(zhì)量產(chǎn)生很大的危害——氫脆。為此,改進(jìn)酸洗工藝,采取防滲氫措施,已成為幾代人關(guān)注的問(wèn)題。

酸洗工藝的改進(jìn)

  鋼鐵表面的銹蝕主要是鐵的氧化物和氫氧化物等,清除這些銹蝕主要是酸類組分借助表面活性劑等的協(xié)同作用來(lái)完成的,其作用過(guò)程大致是溶解和剝落。為了克服常規(guī)酸洗帶來(lái)的缺陷,可作如下改進(jìn)。

  首先,降低酸濃度。一般鋼鐵件采用30%~35%HC1(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),除去氧化皮的速度快,但耗量大,酸霧重,對(duì)基體的過(guò)腐蝕也強(qiáng),難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。如用低濃度酸洗工藝對(duì)降低酸液消耗,改善環(huán)境,提高工件表面質(zhì)量有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該工藝?yán)醚趸さ亩嗫仔?,在?rùn)濕劑的作用下使酸液迅速滲透到基體與氧化皮的界面上發(fā)生Fe+2HC1==2FeC12+H2↑化學(xué)反應(yīng),利用氫氣的機(jī)械剝落作用,達(dá)到除去氧化皮清潔表面的作用。由于氧化物在稀酸中的反應(yīng)緩慢,尿素等緩蝕劑對(duì)裸露基體的吸附力強(qiáng),防止了過(guò)腐蝕,降低了酸的無(wú)用消耗,同時(shí)亦減輕了工件滲氫數(shù)量。

  其次,利用混合酸液的綜合特性。生產(chǎn)上常用鹽酸或硫酸液除銹,但兩者的性能各異,若將鹽酸與硫酸按適當(dāng)比例配制成混合液,能兼有兩者的功能,既能提高除銹速度,又降低了操作溫度。

  再次,采用多功能的高效除油除銹劑。近年來(lái)出現(xiàn)了“二合一”等多種除油除銹劑和快速除銹劑應(yīng)用較普遍,這是鋼鐵酸洗工藝的一大進(jìn)步。

  最后,采用特殊的酸洗工藝。針對(duì)不同工件的形狀、用途、熱處理狀態(tài)采取不同的酸洗工藝,就是說(shuō)酸洗工藝也應(yīng)該個(gè)性化。

防止氫脆的措施

  酸洗過(guò)程的滲氫是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程,即涉及腐蝕的共軛步驟,又涉及氫在金屬表吸附和析出的以及浸入金屬內(nèi)部的并、串聯(lián)步驟,還涉及到應(yīng)力腐蝕的深層次問(wèn)題。研究表明,在酸洗條件下,直接進(jìn)行滲氫的電化學(xué)測(cè)量是研究酸洗過(guò)程滲氫行為的可行方法。為減輕鋼鐵件滲氫程度,可采取如下一些防滲氫措施。

  1、引入多功能的緩抑制。多功能的緩抑劑具有緩蝕與抑霧功能,不僅酸洗速度快,而且阻抑滲氫的功能較強(qiáng),緩蝕率高。

  2、控制酸洗條件。鋼鐵在酸洗液中的滲氫量與酸度關(guān)系不太大,但與酸洗溫度成正比,與酸洗時(shí)間的平方根成正比,建議采用酸液濃度較高、酸洗時(shí)間很短的酸洗方法。高速鋼淬火件等高強(qiáng)度鋼酸洗更要注意這個(gè)問(wèn)題。具體生產(chǎn)單位,應(yīng)制訂嚴(yán)謹(jǐn)工藝,控制好酸的濃度、酸液溫度、酸洗時(shí)間三大要素。

  3、關(guān)注應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是指工件在受到靜載拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下,導(dǎo)致材料發(fā)生脆性開(kāi)裂的過(guò)程。經(jīng)過(guò)校直的淬火件,不管是正擊還是反擊,凡經(jīng)校直過(guò)的工件一定先去應(yīng)力再酸洗,否定氫脆致裂或變脆的幾率相當(dāng)大,很多單位都有深刻的教訓(xùn),但并沒(méi)有引起足夠的重視。

  4、防止金屬雜質(zhì)污染酸洗液。業(yè)已查明,當(dāng)酸洗液中含有P、As、Sn、Hg、Pb、Zn、Cd等金屬雜質(zhì)時(shí),會(huì)促進(jìn)滲氫量增加,加劇氫脆斷裂傾向。

  5、驅(qū)氫處理。是凡經(jīng)過(guò)酸洗工件,最好進(jìn)行180~200℃×3~4h驅(qū)氫處理。

氫脆試驗(yàn)方法

  如果因熱處理或表面處理產(chǎn)生了滲氫,應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)驅(qū)趕,使構(gòu)件不至于因氫脆破壞失效。產(chǎn)生了氫脆也可以通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)定。

  以前的航空部為測(cè)氫脆曾制訂過(guò)標(biāo)準(zhǔn)(HB5067)可供參考。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用延遲破壞的方法,試驗(yàn)和鑒定抗拉強(qiáng)度≥1275MPa的結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼經(jīng)電鍍和化學(xué)覆蓋工藝處理后的氫脆性能。

方法原理

  結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼由于氫和應(yīng)力的作用,在小于屈服強(qiáng)度的靜載荷下持續(xù)一定時(shí)間就會(huì)發(fā)生早期的脆性斷裂。

  氫脆試樣的技術(shù)要求主要有四點(diǎn):

  1、試樣材料。應(yīng)用與產(chǎn)品零件相同的材料制作,熱處理至抗拉強(qiáng)度的上限(硬度與抗拉強(qiáng)度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系)。

  2、試樣的形狀和尺寸。延遲破壞的試樣形狀和尺寸應(yīng)符合下圖的規(guī)定,除圖中已注明的尺寸公差外,其他尺寸公差應(yīng)符合國(guó)家形位公差相關(guān)規(guī)定。

  3、試樣的制造。按圖沿材料的順纖維方向加工試樣,粗加工后熱處理至所要求的抗拉強(qiáng)度,然后精加工至規(guī)定尺寸,缺口用中軟細(xì)粒氧化鋁砂輪磨制。磨削時(shí)應(yīng)保證缺口根部半徑圓滑。磨削后投影檢查,確保缺口尺寸符合圖紙要求。逐根測(cè)量缺口根部直徑(圖中為φ4.5±0.05mm)的尺寸,并做好編號(hào)記錄。

  4、試樣在鍍蓋前都應(yīng)消除磨削應(yīng)力,消除應(yīng)力的最高溫度應(yīng)比該工件的回火溫度低10℃~20℃,同時(shí)要避開(kāi)材料回火脆性區(qū),以保證消除應(yīng)力后的試樣硬度不會(huì)下降。

缺口示意

試驗(yàn)方法

  按要求的鍍覆工藝對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)備處理和鍍覆。帶有鍍層的試樣其缺口的鍍層厚度應(yīng)不小于12~18μm。鍍覆層應(yīng)一次完成,不允許退鍍或重復(fù)電鍍。鍍覆后,試樣應(yīng)盡快地(不超過(guò)3h)進(jìn)行除氫。除氫的規(guī)范應(yīng)符合工件或該鋼的鍍覆工藝規(guī)范的規(guī)定。

  延遲破壞試樣根據(jù)總載荷可在適當(dāng)噸位的持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。加載時(shí)按鍍覆前缺口根部尺寸計(jì)算試樣的截面積。試樣承受的靜載荷數(shù)為未鍍覆試樣的缺口抗拉強(qiáng)度的75%,記錄斷裂時(shí)間。

  未鍍覆試樣的缺口抗拉強(qiáng)度應(yīng)是3~5個(gè)試樣的平均值。

結(jié)果評(píng)定

  用6根平等的試樣進(jìn)行延時(shí)破壞試驗(yàn),在規(guī)定的載荷下200h都不破斷,則認(rèn)為該鋼經(jīng)此鍍覆工藝氫脆性能合格。如果有一個(gè)試樣破斷時(shí)間小于200h則認(rèn)為氫脆性能不合格。

 

 

 

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