淬火-配分-回火工艺处理低碳低合金钢的氢脆敏感性

刘 丹，宋文英，石鹏亮，王存宇

(1. 沈阳铸造研究所， 沈阳 110022； 2. 中国石油技术开发公司独联体分公司， 北京 100028；

3. 中国石油天然气管道局国际事业部， 廊坊 065000； 4. 钢铁研究总院华东分院， 北京 100081)



淬火-配分-回火工艺处理低碳低合金钢的氢脆敏感性

刘 丹1，宋文英2，石鹏亮3，王存宇4

(1. 沈阳铸造研究所， 沈阳 110022； 2. 中国石油技术开发公司独联体分公司， 北京 100028；

3. 中国石油天然气管道局国际事业部， 廊坊 065000； 4. 钢铁研究总院华东分院， 北京 100081)

摘要：对低碳低合金钢进行淬火-配分-回火(Q-P-T)工艺处理，研究了Q-P-T处理后试验钢的显微组织、力学性能以及氢脆敏感性，并与传统淬火回火(Q-T)工艺处理后的进行了比较。结果表明：相对于传统Q-T工艺，Q-P-T工艺处理后的试验钢获得了较多的残余奥氏体，塑性和韧性分别提高了3.5%和27%，氢脆敏感性降低；残余奥氏体对降低氢脆敏感性具有积极作用。

关键词：淬火-配分-回火；氢脆；残余奥氏体

0引言

高强度化是钢铁材料的发展趋势，然而合金结构钢的强度提高到一定程度后会产生延迟断裂的现象，这限制了其强度的提高。高强度钢产生延迟断裂现象的主要原因是，钢中的可扩散氢在晶界或其它界面偏聚，降低了界面结合强度[1]。高强度钢的氢脆敏感性是钢铁材料的重要研究方向之一[2-3]。

为了解决高强度钢的氢致延迟断裂，研究人员进行了很多尝试。惠卫军等[4]提出了通过GST(Grain Structure Trap)技术提高钢的耐氢致延迟断裂性能，并据此成功开发了ADF(Advans Fastener)系列高耐延迟断裂性能钢。近年来，通过亚稳奥氏体降低氢脆敏感性的技术也得到了广泛研究[5]。淬火配分(Q&P，Quenching and Partitioning)工艺以及淬火-配分-回火(Q-P-T，Quenching-Partitioning-Tempering)工艺是获得高强度、高塑性、高韧性钢的有效方法[6-8]，这种工艺通过不完全淬火以及对碳元素配分的控制，可获得马氏体/奥氏体组织[9]。目前关于Q-P-T工艺处理钢的氢致延迟断裂行为的研究较少，

图2　两种工艺处理后试验钢的SEM形貌Fig.2　SEM morphology of experimental steel treated by Q-T process (a) and Q-P-T process (b)

为此，作者以碳质量分数为0.2%的低合金钢为对象，研究其经Q-P-T工艺处理后的氢脆敏感性。

1试样制备与试验方法

试验钢采用30 t电炉冶炼，其化学成分(质量分数/%)为：0.21C，1.75Si，0.29Mn，1.03Cr，2.86Ni，0.31Mo，0.08V，0.049Nb，0.001S，0.006P。用膨胀仪测得其Ms点为375 ℃，Mf点为175 ℃。试验铸坯经改锻后加工成冲击试样和拉伸试样毛坯，然后进行两种不同工艺的热处理。其一，传统淬火回火(Q-T)工艺处理：900 ℃×0.5 h奥氏体化后油淬，然后进行300 ℃×2 h的回火处理；其二，Q-P-T工艺处理：900 ℃×0.5 h奥氏体化，在盐浴炉中进行200 ℃×5 min等温淬火，然后在300 ℃的盐浴炉中保温10 min进行碳元素配分处理，水淬至室温，最后在马弗炉中进行300 ℃×2 h的回火处理。

将热处理后的试样毛坯精加工成标准拉伸试样(d=5 mm，l=5d)和V型缺口标准冲击试样以及缺口拉伸试样，缺口拉伸试样的形状和尺寸如图1所示。室温拉伸试验在WE-300型试验机上进行，应变速率为2.5×10-3～2.5×10-4s-1，拉伸性能取2个试样的平均值。冲击试验在JBN-300B型摆锤式冲击试验机上进行，试验温度为-40 ℃，冷却介质采用液氮和无水乙醇，试样在低温槽内保温5 min后再进行冲击试验，冲击功取3个试样的平均值。充氢处理时，缺口拉伸试样为阴极，在0.1 mol·L-1的NaOH溶液中进行电化学充氢，电流密度分别为0.5，1，5 mA·cm-2，充氢时间为72 h；充氢后立即在WDML-300kN型慢应变速率拉伸试验机上进行慢应变速率拉伸试验，获得缺口抗拉强度σNB，拉伸速度为0.005 mm·min-1。

图1　缺口拉伸试样的形状和尺寸Fig.1　Shape and size of notch tension specimen

采用X Pert Pro型X射线衍射仪测热处理后试验钢中残余奥氏体的体积分数，采用钴靶；采用S4300型冷场扫描电子显微镜(SEM)和H800型透射电镜(TEM)观察其显微组织。

2试验结果与讨论

2.1　显微组织与力学性能

由图2可见，试验钢经两种工艺处理后的组织没有明显的差异，均为典型的板条马氏体。但经Q-T工艺处理后，残余奥氏体的体积分数为2%，Q-P-T工艺处理后的为6%。通过透射电镜观察可以发现，经Q-P-T工艺处理后，残余奥氏体以薄膜状存在，如图3所示。

由表1可见，与Q-T工艺相比，经Q-P-T工艺处理后试验钢的抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)分别降低了80 MPa和100 MPa，但断后伸长率(A)则从11.5%提高到15%，提高了3.5%，断面收缩率(Z)从60%提高到63.5%，冲击吸收功(Akv)从51 J提高到64.7 J，提高了27%。

表1　不同工艺处理后试验钢的拉伸性能和冲击性能

图3　经Q-P-T工艺处理后试验钢的TEM形貌Fig.3　TEM morphology of experimental steel treated by Q-P-T process：(a) bright field and (b) dark field

传统的Q-T工艺是在奥氏体化后直接淬火至室温，试验钢中的奥氏体几乎完全发生马氏体转变，残余奥氏体的体积分数只有2%；而Q-P-T工艺是先淬火到200 ℃，此时试验钢中马氏体的体积分数约为85.6%，仍有体积分数为14.4%的奥氏体未发生转变，在后续的配分处理过程中，碳从马氏体向未转变奥氏体中扩散，提高了未转变奥氏体的化学稳定性，最终淬火至室温时可以获得体积分数高达6%的残余奥氏体。这些残余奥氏体主要以薄膜状存在，改善了钢的塑性和韧性[10]。但由于碳元素在残余奥氏体中的富集，导致马氏体基体中固溶碳原子的数量减少，从而导致强度降低。

2.2　氢脆敏感性

用缺口慢拉伸试验表征充氢处理后试验钢的抗氢脆敏感性。由图4可见，在未充氢(电流密度为0)的情况下，经Q-T工艺处理的试验钢的缺口抗拉强度较高；随着电流密度增加，两种工艺处理的充氢试验钢的缺口抗拉强度都明显降低，但Q-P-T工艺处理的要高于Q-T工艺处理的。

图4　电流密度对不同工艺处理钢缺口抗拉强度的影响Fig.4　Effect of charging current density on notch tensile strengthof experimental steel treated by different processes

缺口抗拉强度的下降率R是反映缺口试样对氢敏感程度的参数，表达式如式(1)所示。

(1)

式中：σNB0为未充氢时的缺口抗拉强度；σNB为充氢后的缺口抗拉强度。

图5　电流密度对不同工艺处理钢缺口抗拉强度下降率的影响Fig.5　Effect of charging current density on the reduction ofnotch tensile strength of expermental steel treatedby different processes

由图5可知，R随电流密度的增加而增大，且在不同电流密度下Q-T工艺处理的试验钢的R均大于Q-P-T工艺处理的。这表明，Q-P-T工艺处理后的试验钢较Q-T工艺处理后的具有较高的抗氢脆敏感性。

外界的氢进入金属后主要以氢原子的形式存在，从表面到内部存在浓度梯度，氢原子逐渐向内部扩散，在位错处偏聚形成气团，降低了临界应力场强度因子，从而在较小的外力下使局部塑性变形达到临界值而引起氢致开裂[11]，使钢更容易发生脆断。氢致断裂现象与局部氢浓度密切相关[12]，局部氢浓度取决于平均氢含量和扩散过程。试验钢中的平均氢浓度主要受充氢电流密度的影响，氢的扩散过程与拉伸过程中的应力梯度和位错运动密切相关。作者选用的0.005 mm·min-1拉伸速度可以使试验钢中的氢充分扩散，减小了试验外部环境对氢扩散过程的影响[13]。Q-P-T工艺处理的试验钢中含有较多的残余奥氏体，而氢在奥氏体中的固溶度比在铁素体中高[14]，且扩散系数低[15]，故有利于提高试验钢的抗氢脆能力[16]；残余奥氏体也提高了裂纹扩展的门槛值，降低了裂纹扩展速率，提高了裂纹扩展的能量[17]；并且奥氏体富碳减小了基体中的碳含量，从而减小了试验钢中的内应力。因此在相同的外部充氢条件下，Q-T-P工艺处理的试验钢具有相对较小的氢脆敏感性。

3结论

(1) 相对于传统Q-T工艺，Q-P-T工艺处理后的试验钢获得了较多的残余奥氏体，塑性和韧性分别提高了3.5%和27%。

(2) 相对于传统Q-T处理工艺，Q-P-T工艺可有效降低钢的氢致破裂敏感性。

(3) Q-P-T工艺降低钢的氢致破裂敏感性的主要原因是其残余奥氏体较多，它可以吸附氢元素，钝化裂纹，对降低氢致破裂敏感性具有积极作用。

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《电镀与涂饰》(半月刊)征订启事

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Susceptibility to Hydrogen Embrittlement of Low-Carbon and Low-Alloy

Steel Treated by Quenching-Partitioning-Tempering Process

LIU Dan1， SONG Wen-ying2, SHI Peng-liang3, WANG Cun-yu4

(1. Shenyang Research Institute of Foundry, Shenyang 110022， China;

2. CIS Branch， China Petroleum Technology & Development CORP， Beijing 100028, China；

3. International Department, China Petroleum Pipeline Bureau, Langfang 065000， China;

4. East China Branch of Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

Abstract:The microstructure, mechanical property and susceptibility to hydrogen embrittlement of a low-carbon and low-alloy steel treated by quenching-partitioning-tempering (Q-P-T) process was studied, and compared with those of the steel treated by traditional quenching-tempering (Q-T) process. The results show that the steel treated by Q-P-T process contained more retained austenite, the ductility and toughness increased by 3.5% and 27% respectively, and the susceptibility to hydrogen embrittlement decreased comparing with that by Q-T process. The retained austenite plays a positive role in decreasing the susceptibility to hydrogen embrittlement.

Key words:quenching-partitioning-tempering; hydrogen embrittlement; retained austenite

中图分类号：TG142.1

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)10-0066-04

通讯作者：王存宇博士

作者简介：刘丹(1979-),男，辽宁沈阳人，工程师，学士。

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51101036，51301042,51201093)；国家“973”计划资助项目(2010CB630803)

收稿日期:2014-08-25；

修订日期:2015-06-19

DOI:10.11973/jxgccl201510015