Q-P-T钢的氢脆机制及其改善措施

摘要

根据徐祖耀院士提出的新型淬火-配分-回火(Q-P-T)热处理工艺,中碳含铌钢Fe-0.38C-1.44Mn-1.52Si-0.61Cr-0.048Nb(简称Fe-0.4C)经Q-P-T处理后其强塑积高达37411MPa％(抗拉强度达1628MPa,延伸率达22.98%)，显示出非常优异的综合力学性能。然而，随钢铁材料强度等级的提高，氢对材料机械性能的恶化作用也得以凸显出来，甚至往往引发结构件的无预警断裂而造成灾难性的后果，特别是当材料拉伸强度超过1000MPa后，氢脆几乎就是不可避免的破坏性因素。为此需要研究Q-P-T钢的氢脆现象及改善措施，以利于Q-P-T钢的工业应用。本文以Fe-0.4C合金为研究对象，研究Q-P-T处理和传统淬火-回火(Q-T)处理后钢的抗氢脆特征及改善Q-P-T钢氢脆敏感性的措施。通过慢应变速率拉伸(SSRT)实验方法，获得经电化学充氢后试样力学性能的变化，并通过扫描电子显微镜(SEM)对断口形貌进行了分析观察，同时结合光学金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及X射线衍射仪(XRD)对热处理试样的显微组织结构进行了表征，主要研究内容及结果包括：
　　1、对同成分的Fe-0.4C钢分别进行Q-T和Q-P-T工艺处理，显微组织均为高位错密度的板条马氏体基体、残余奥氏体以及马氏体基体中弥散分布的碳化物，但Q-T和Q-P-T钢中残余奥氏体含量明显不同。拉伸实验显示 Q-T钢和Q-P-T钢的抗拉强度分别为1963MPa和1628MPa，由于Q-P-T钢中较多的残余奥氏体(23.69%)使得其延伸率高达22.98%，强塑积达到惊人的37411MPa·%，显示出异常优异的综合力学性能。
　　2、对Q-T和Q-P-T试样分别进行电解充氢后，SSRT结果显示，充氢1min，Q-T钢和Q-P-T钢的氢致塑性损失Iδ分别为62.5%和20%；充氢2min，Iδ分别为82.5%和34.3%；而Q-P-T充氢10min后Iδ则达到84.8%；同时SEM断口形貌观察表明，两种钢随充氢时间的延长，其断口形貌从韧性断裂趋向脆性断裂过渡；相比于Q-T钢，Q-P-T钢显示出较好的抗氢脆能力，这主要是因为Q-P-T钢中含有更少的脆性马氏体相以及更多的氢脆敏感性相对较低的残余奥氏体相，强度级别也更低；其次更高的淬火温度使组织缺陷更少，对抗氢脆性能的提高也有一定的促进作用。
　　3、对Fe-0.4C钢进行50%冷轧后再进行Q-T和Q-P-T热处理，SSRT实验表明，充氢2min，即使得轧制后的Q-T钢和Q-P-T钢的Iδ分别达到89.3%和89.7%，远高于同样充氢状态下的未冷轧试样，断口SEM形貌由未充氢的延性韧窝断裂逐渐向脆性的解理或沿晶断裂过渡。经分析认为晶粒细化导致Q-P-T钢高氢脆敏感性的主要原因可能在于：通过提高平均位错密度带来的氢致塑性损失程度要高于均匀组织内部氢陷阱而降低的氢致塑性损失程度。当然，还需要更多的实验工作以验证这个结果的可靠性及可能的原因。
　　4、对充氢前后试样层错几率的XRD测定发现，充氢对未冷轧和冷轧Q-P-T试样层错几率的影响非常有限，可将其对氢脆敏感性的影响排除在外。即充氢并没有导致大量hcp(?)马氏体的形成(改变试样的加工硬化能力)，未显著脆化显微组织。
　　5、对Fe-0.2C(Fe-0.19C-1.46Mn-1.50Si-0.15V)钢进行双相Q-P-T处理使显微组织中引入一定量的先共析铁素体。SSRT结果表明，同样充氢100min的情况下，含铁素体相的Q-P-T钢的Iδ仅为47.1%，大大降低了Q-P-T钢的氢脆敏感性。其原因在于铁素体相的存在一方面适当降低了材料的强度级别而降低了氢脆敏感性；另一方面铁素体易变形的特点使得氢致裂纹尖端钝化而有效减缓裂纹的扩展，从而提高了抗氢脆性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 氢在钢中的作用机理

1.3 先进高强度钢氢脆的研究现状

1.4 Q-P-T钢的热处理工艺、组织和性能

1.5 Q-P-T钢氢脆的研究目的和意义

第二章 材料制备与试验方法

2.1 实验用钢的化学成分

2.2试样制备及其热处理

2.3 预充氢处理

2.4显微组织的观察和表征

2.5力学性能测试

第三章 高强塑积Q-P-T钢和Q-T钢的氢脆特征

3.1 Q-P-T钢和Q-T钢的力学性能及其显微组织

3.2 Q-P-T和Q-T工艺对氢脆敏感性的影响

3.3 晶粒细化对Q-P-T和Q-T钢氢脆敏感性的影响

3.4 本章小结

第四章 铁素体对Q-P-T钢氢脆敏感性的影响

4.1 实验材料和实验方法

4.2经不同奥氏体化温度处理后试样的组织特征

4.3 不同奥氏体化温度Q-P-T钢的氢脆敏感性

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

第五章 结 论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表或录用的论文