氢含量对300M超高强度钢应力腐蚀的影响

伍助喜，田文明

（1.江西昌河航空工业有限公司，江西 景德镇 333000；2.北华航天工业学院，河北 廊坊 065000）

300M钢是一种由美国最先发展起来的低碳、低合金含量镍铬钼超高强度钢，兼具超高强度和高韧性等优秀的机械性能，被广泛用于制造飞机特别是大型飞机的起落架[1,2]。起落架在实际服役过程中，面临着较为复杂的介质环境，氢不可避免地会渗入起落架内部，引起氢致应力腐蚀断裂，这成为影响300M钢安全使用的重要因素[1]。本研究采用恒载荷拉伸应力腐蚀试验，测试了氢含量对300M超高强度钢应力腐蚀特性的影响作用。

1 合金的制备

1.1 实验材料

试验用300M超高强度钢的化学成分按质量百分比（wt.%）为：C 0.4，Mn 0.64，Si 1.66，Cr 0.71，Ni 1.9，Mo 0.37，V 0.09。该材料热处理制度为：随炉加热至870℃保温1h进行固溶处理，淬火油冷，然后随炉加热至300℃保温2h进行中温回火，空冷，回火处理进行两次。

1.2 实验方法

实验用300M钢通过线切割加工成如图1所示的拉伸试样。试验前先对试样进行除锈、去污处理，然后用1000#砂纸打磨去除金属表面缺陷，再用无水乙醇反复擦洗，最后用去离子水清洗并吹干待用。

图1 300M钢恒载荷拉伸试样的形状尺寸

电解充氢的电解液为0.1mol/LNaOH溶液，充氢电流大小为0.2A/cm2[3]，电解充氢时，试样作为阴极，铂片作为阳极。为研究氢含量对试样应力腐蚀行为的影响，充氢时长分别为24h，48h，72h和96h，时间越长，300M钢内部氢含量越高。

分别对如图1所示的充氢和不充氢试样进行恒载荷拉伸应力腐蚀试验。试验在拉伸试验机上进行，载荷为试样抗拉强度的75%，拉伸段浸没于5%NaCl溶液中，设备自动记录试样断裂时间。断裂后取出试样，采用去离子水及无水乙醇依次清洗表面腐蚀产物并吹干，计算断后延伸率，然后将断口区域切下进行扫描电镜（SEM）观察。

2 实验结果与分析

2.1 恒载荷拉伸应力腐蚀结果

恒载荷拉伸实验结果如图2所示，不同充氢时间试样在5%NaCl溶液中发生应力腐蚀开裂的时间不一样，随着充氢时间的延长，300M钢试样内部氢含量随之升高，而试样发生断裂的时间随之缩短，充氢时间为96h的试样断裂时间仅为3.1min，明显小于充氢24h试样的9.90min，此外，未充氢试样在5%NaCl溶液中的拉断时间为820min，这表明300M对组织内部的氢含量非常敏感，氢脆敏感性很大。随材料内部氢含量的增加，试样发生应力腐蚀开裂所需的时间明显缩短，应力腐蚀敏感性及裂纹萌生拓展速度随氢含量的增加而显著增大，工程应用中应避免氢的引入，并对300M钢进行充分的除氢处理。

图2 300M钢试样恒载荷拉伸断裂时间与充氢时间的关系

氢对300M钢的影响主要表现在降低材料塑性，试验中常以断后延伸率来衡量材料的氢脆敏感性[4-6]，如公式（1）所示,式中：δ为试样的延伸率，L1为试样的原始长度，L2为试样断裂后的总长度。

不同充氢时间的试样的断后延伸率如图3所示。充氢时间对材料塑韧性的影响非常明显，拉伸试样的断后延伸率随着充氢时间的增加而明显降低，且降低的幅度也逐渐变大，表明300M钢的氢脆敏感性随氢含量的增加是加速累积的。氢原子通过钢的晶界或微观缺陷扩散到钢的内部使晶界弱化，并且在应力的协同作用下，向应力集中区迁移富集[3-6]，从而引起钢的氢脆破坏。

图3 300M钢试样断后延伸率与充氢时间的关系

2.2 断口形貌观察

图4为不同充氢时间的试样恒载荷拉断后的宏观形貌。未充氢试样断口较平齐，而充氢试样断口不平整，有明显的起伏，说明充氢试样内部存在应力集中区，易产生局部开裂导致整体提前断裂。针对超高强度钢，氢致白点往往成为引发氢脆断裂的主要诱因[3]。

图4 300M钢恒载荷拉伸试样断裂宏观形貌，（a）未充氢，（b）充氢72h

图5为不同充氢时间的恒载荷拉伸试样的断口SEM图，充氢试样断口表面分布着较为明显的微裂纹，且随充氢时间的增加，裂纹特征愈发明显。如图5c所示，在充氢24h后，断口中仍能观察到正常的韧窝组织；而在充氢达到72h时（如图5d所示），试样的断裂方式为明显的沿晶脆性断裂，表明300M钢随其内部氢含量的增加，韧性显著降低，脆性剧增，氢的存在极大威胁了300M钢的正常使用。

图5 不同充氢时间试样拉伸断口的SEM形貌，（a）充氢24h低倍，（b）充氢72h低倍，（c）充氢24h高倍，（d）充氢72h高倍

3 结论

（1）300M钢氢致应力腐蚀敏感性极高，使用中要进行彻底的除氢处理。

（2）300M钢断裂时间随着氢含量的增加而缩短，材料断后延伸率随充氢时间的增加而显著降低。

（3）随钢内氢含量的增加，300M钢脆性增加，导致断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变。