0Cr16Ni5Mo材料氢脆试验研究

谢清程，杨文凯，史俊武，郑文杰

（1．中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031；2．钢铁研究总院，北京 100081）

0 引言

0Cr16Ni5Mo不锈钢是瑞典、德国等国在0Cr13Ni5Mo不锈钢的基础上发展起来的钢种[1]，是一种典型的高强马氏体时效钢，不但具有优良的强度和较好的塑韧性，而且疲劳性能和腐蚀疲劳性能比304、316、17-4PH、1Cr17Ni2等不锈钢优异[2-4]，作为调距桨连接螺栓在海洋中使用比较广泛。

某船调距桨连接螺栓在使用多年后的维修中，发现部分螺栓出现裂纹。而国外进口的同种材料在相同的环境使用条件下工作十几年后却未出现类似问题。经分析发现，导致螺栓失效的主要原因是在有阴极保护及海水环境中，螺栓产生析氢，氢致裂纹快速扩展，导致了螺栓的失效。由于马氏体时效钢固有的特性，容易产生氢脆，但其成分与热处理工艺对其氢致敏感性有很大的影响，合理的成分与工艺能够延长材料的寿命。

本研究对国内外高强钢0Cr16Ni5Mo的抗氢渗透行为进行对比研究，比较其抗断裂能力的优劣，同时对经过不同热处理制度获得的不同强度国产钢进行抗氢脆研究，比较0Cr16Ni5Mo不同时效处理后的抗氢脆能力，试验研究表明经过淬火 500℃回火、550℃回火后的试样抗氢脆能力较好。

1 试验方法

1.1 材料化学成分及热处理状态

表1是某型船进口调距桨连接螺栓（旧、新）和国产螺栓的材料化学成分分析结果及0Cr16Ni5Mo的化学成分规范要求。由表1可以看出，进口螺栓主要合金元素含量基本与国产螺栓一致，但国外螺栓中微量杂质元素P、S的含量明显高于国产螺栓。

表1 材料化学成分分析结果及技术条件规定要求对照（单位：W/(%)）

在调距桨连接螺栓分析报告中[5]，对进口螺栓和国产螺栓材料在不同回火温度下的金相组织及显微维氏硬度进行了分析，分析得出进口螺栓材料实际回火温度不低于 500℃，但低于 550℃。与进口螺栓对比看出，国产螺栓使用状态的硬度明显高于进口螺栓，其回火处理温度应该是在400～500℃℃之间，但是低于500℃。500℃及550℃回火后，由于细小碳化物沿回火马氏体板条析出，使得回火马氏体的板条组织形貌更加清晰。较高的回火温度在降低材料强度的同时，可明显降低马氏体不锈钢的氢脆敏感性。

选取表2中材料热处理制度试样进行抗氢脆性能试验研究。评定氢脆的试验方法主要有弯曲试验法、断面收缩率比较法、慢应变速率法、氢渗透法。本文试验研究采用慢应变速率法和氢渗透法。

表2 试样热处理制度表

1.2 充氢慢拉伸试验

将线切割的哑铃形试样片用水砂纸逐级打磨至600#，丙酮除油后，用铅笔在试样上标距30mm，准确测量试样标距内的尺寸。用HZ704粘合剂封住试样的标距以外部分（见图1），以防止腐蚀介质腐蚀标距以外部分。再用HZ704粘合剂将试样下部与容器粘牢（见图2）。拉伸时的环境介质包括：快速渗氢液H2SO40.5mol/L、少量As2O3、海水（取自大连）和5%NaCl。用WDML-1型微机控制慢应变速率试验机，加200mA/cm2的电流（在5%NaCl中加-1VSCE的电位）预充氢4h后，以0.003mm/min的速率进行慢拉伸试验（充氢不停止）（见图3）。同时做未充氢试样的空白试验。

图1 试样标距、封护后照片

图2 试样与容器粘合后的照片

图3 渗氢拉伸时的照片

1.3 渗氢及析氢量测试

试样为φ5mm×50mm的钢棒，在一端焊接上铜导线，两端用环氧树脂封固，进行充氢试验：充氢介质分别为快速渗氢液、海水（取自大连）和5%NaCl水溶液。快速渗氢液为H2SO40.5mol/L和少量As2O3水溶液。充氢电流密度为-200mA/cm2，充氢时间分别为70min、480min和5d，充氢结束后，取出钢棒，立即放在盛满硅油的量筒中，量筒倒置24h，以检测钢棒析出氢气的体积（见图4）。

图4 析氢量测试图

2 试验结果与分析

2.1 慢拉伸试验结果与分析

图5 试样在不同介质中断裂伸长率比较

图6 试样在不同介质中抗拉强度比较

从图5可以看出，试样的断裂伸长率前后数据规律性不强，原因之一是试样的断裂伸长率都很小，甚至有的延伸率在测量的误差偏差范围内，就造成了结果较大偏差。

材料渗氢后的强度损伤率能够反映不同热处理状态下，其材料由于析氢造成的强度损伤程度，同时也能对材料的析氢能力进行比较，预估其使用寿命。由于在5%NaCl的渗氢时产生大量的氯气，采用了恒电位的渗氢方式，因此不同渗氢方式的强度损伤率不能进行比较，但这种渗氢方式与实际使用环境条件更接近。

从图5和图6中可以看出，空拉试验时试样A的抗拉强度最大，试样的抗拉强度从大到小依次为A＞AB＞AA＞AC＞B＞AD，其中AA、AB相差不大，B、AD相差不大，断裂伸长率从大到小的顺序为AB＞AD＞AA＞AC＞B＞A，试样都表现为韧性断裂，试样的强度和塑性反应了材料在空气环境下热处理对材料强度和塑性的影响。

从图7至图9可知，试样在快速渗氢液、海水中同时加-200mA/cm2的恒电流条件下，在5%NaCl溶液中同时加-1.00VSCE恒电位条件下，抗拉强度、断裂伸长率变化规律基本一致，即试样的抗拉强度损伤率规律为，原始状态和 450℃下损伤率最大，国产试样 500℃和 550℃与进口试样的强度损伤率较小。

图7 试样在快速渗氢液渗氢后的强度损伤率比较

图8 试样在海水中渗氢后的强度损伤率比较

图9 试样在5%NaCl溶液中渗氢后的强度损伤率比较

2.2 渗氢及析氢量测试

本文仅给出快速渗氢液中渗70min后，各试样渗入又析出的自由氢量（见图10）。

国产试样经过热处理的比没有经过热处理的渗入且析出的自由氢量要少，其中回火温度为450℃的 AB棒析出的自由氢量最小，但比进口试样高22.6%。从图10可以看出，进口试样的自由氢含量要低于国产材料在不同热处理状态下的自由氢的含量。

图10 试样在渗氢液中的渗入且析出的氢体积比较

3 结束语

通过对进口、国产调距桨连接螺栓用0Cr16Ni5Mo材料进行了不同温度的热处理试验，渗氢液、海水及5%NaCl介质下的慢拉伸、析氢量测试等试验，研究了国内材料不同热处理制度下及进口螺栓实物取样材料下的氢损伤后相关机械性能的下降情况，氢扩散、渗透性能，可得热处理制度对抗氢脆性能影响很大，国产试样A抗氢脆能力小于国外试样B，经过淬火500℃回火AC、550℃回火后的AD试样抗氢脆能力较好，但仍低于国外试样，这可能与材料的化学成分、金相组织的差异等因素有关[4]。

[1]过洁, 龙友松.0Cr16Ni5Mo不锈钢应用特性的研究[J].大电机技术, 2001(3): 44-47.

[2]陈继志, 王嘉敏, 殷江宁, 等.0Cr16Ni5Mo不锈钢疲劳性能研究[J].材料开发与应用, 2002(6): 6-10.

[3]易小冬, 谢清程, 陈继志, 等.调距桨桨毂螺栓材料试验研究[J].船舶工程, 2005, 27(2): 36-40.

[4]陈继志, 王嘉敏, 袁亚民.热处理对0Cr16Ni5Mo钢力学性能和组织的影响[R].2002.

[5]国家钢铁材料测试中心分析报告[R].2009.