高强度非调质钢的氢脆敏感性研究

摘要

近年来，随着微合金化非调质钢强度水平的逐渐提高及应用范围的不断扩大，对其在各种服役环境下的安全性特别是氢脆敏感性得到越来越多的关注。本文以新开发的微合金化贝氏体型非调质钢25MnCrVTi和两种不同V含量(MV1，0％V;MV3，0.3％V)的铁素体+珠光体型非调质钢为研究对象，利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)分析、热膨胀实验、慢应变速率拉伸实验(SSRT)及氢热分析(TDS)等实验手段，研究了回火温度对新开发贝氏体型非调质钢微观组织、力学性能及氢脆敏感性的影响规律;探索了两种不同V含量的铁素体+珠光体型非调质钢的氢脆断裂行为，并与传统40Cr调质钢进行了对比，以期为其推广应用及安全服役提供理论与技术支持。获得的主要结果如下:
　　对微合金化贝氏体型非调质钢的锻后回火行为的研究结果表明:实验钢在锻态的微观组织主要为粒状贝氏体和约20vol.％马氏体的混合组织。随回火温度升高，实验钢抗拉强度逐渐降低而屈服强度逐渐提高，这主要与回火温度升高所引起的马/奥(M/A)岛分解、马氏体的回火及碳化物析出等因素有关。此外，除400℃回火脆性外，回火处理还可显著地提升实验钢的冲击韧性。综合考虑，通过200℃左右的低温回火处理，除可消除锻后残余应力外，还可使贝氏体型非调质钢获得与传统40Cr调质钢相当的强韧性匹配。
　　通过SSRT实验对微合金化贝氏体型非调质钢的氢脆敏感性进行了评估。结果表明，锻态贝氏体型非调质钢的氢脆敏感性要明显高于相同强度级别的、具有高温回火马氏体组织的调质钢，这主要是由于锻态实验钢中存在大量未回火马氏体以及大块状M/A岛。进一步研究发现，通过200℃回火，在不明显降低强韧性的情况下可使贝氏体型非调质钢的氢脆敏感性相对降低约35％，虽然此时其氢脆抗力仍要低于调质钢。因此，建议通过调整化学成分及锻造工艺来减少或消除大块状M/A岛及马氏体相来进一步降低实验钢的氢脆敏感性。
　　通过SSRT实验和TDS实验探索了不同钒含量的铁素体+珠光体型非调质钢的氢脆行为。结果表明:含钒钢中主要氢陷阱为细小弥散的V（C,N)析出相，且V(C，N)作为一种强氢陷阱所吸附的氢在室温下具有较高的稳定性而不易扩散。无论锻态还是调质态，钢的强度水平越高则氢脆敏感性越高;较高的强度水平及较多的氢吸附量使得0.3％V钢的氢脆敏感性高于0％V钢。