利用HTDS对钢材料中氢扩散行为的分析研究①

秦志强

(江阴兴澄特种钢铁有限公司, 江苏 江阴　214429)



利用HTDS对钢材料中氢扩散行为的分析研究①

秦志强

(江阴兴澄特种钢铁有限公司, 江苏 江阴214429)

介绍了利用升温测氢装置(HTDS)进行的钢材料中扩散氢及非扩散氢定量区分与检测的方法，绘制出不同温度下氢扩散速率曲线图，找出最佳扩散温度区间。通过对管线钢服役中失效样品中扩散氢和不易扩散氢的测定，为失效分析提供有力判据。

升温测氢装置； 氢扩散； 氢扩散图； 氢脆失效

引　言

氢在钢中是有害的，能够引起钢材料出现白点、鱼眼、鼓泡、氢致裂纹等缺陷，最终导致材料脆断失效，所以对钢材料中氢的控制尤为重要。钢中的氢又分为扩散氢和不易扩散氢，通常扩散氢是导致氢缺陷和氢致失效的主要贡献者。所以在控制钢中氢含量尽可能低的前提下，测出钢中氢存在的状态更为重要。

1　试验过程

1.1试验材料

试验钢种分别为：Q345C，42CrMo4，B钢3个钢种，每个钢种取2个试样分为试样A和试样B。试样A为棒材连铸坯，加工尺寸为Φ15 mm×30 mm，试样B都取自于压缩比大于3的锻造钢材，加工尺寸为Φ15 mm×30 mm。

另取管线钢失效部件试样三件(试样1～3)，取样位置如图1所示，分别在3个不同的部位取样，加工尺寸为：30 mm×15 mm×10 mm，如图2所示。

1.2试验方法

利用升温测氢装置(HTDS)分别对试样进行加热扩氢检测。环境温度：20 ℃；湿度：46%；电气炉加热速率：300 ℃/h 和150 ℃/h； 加热最高温度：850 ℃；氢分析谱仪：高精度四重质量分析计,试验前试样都用无水酒精在超声波洗涤器中清洗10 min，并用电子天平准确称取质量。

图1　失效件取样位置图

图2　失效件试样

2　试验结果

2.1钢种Q345C试验结果

钢种Q345C试验结果如图3，4所示。

图4　试样B

2.2钢种42CrMo4试验结果

钢种42CrMo4试验结果如图5，6所示。

图5　试样A

图6　试样B

2.3钢种B钢试验结果

钢种B钢试验结果如图7，8所示。

图7　试样A

图8　试样B

2.4失效件试样试验结果

失效件试样试验结果如图9～11所示。

图9　试样1

图10　试样2

图11　试样3

3　分析与讨论

3.1分析

以上试样的试验数据如表1，2所示。

表1　Q345C, 42CrMo4, B钢试验数据

参数/钢种编号Q345C42CrMo4B钢试样A试样B试样A试样B试样A试样B氢含量/10-60.5720.3020.7760.2990.5120.234峰值温度/℃430390420380420380

表2　失效部件试验数据

3.2讨论

由表1可以发现：试验钢种材料出现析氢峰值处的温度都在400 ℃左右，不是长期经验认为的温度500～600 ℃；因此，在此类钢材料的析氢处理时，选择在此峰值处保温一段时间，使材料内部扩散氢完全析出，不会出现白点等内部缺陷。同钢种试验中，试样B都是在锻造后取样，锻造后的钢材致密性更好，内部扩散氢不易逃出，试验显示出的氢含量都比未锻造试样含量低，并且出现峰值处温度都比同钢种未锻造试样低40 ℃左右。由上，可以对不同钢种、不同状态的钢材热处理工艺进行有据可依的调控。

由表2可以看出：试样1出现一个峰值，温度在425 ℃左右；而试样2和试样3在最高峰值之前还出现一个峰值。试样1是在断口处取样，所以分析认为是断裂导致此处氢扩散使得尖峰消失，是此部分扩散氢导致材料失效的主因。试样2与试样1是在相同环境下服役，试样2处没断裂是由于第一峰值处的氢含量不至于导致其失效。试样3是在不同环境下服役，所以第一峰值处积分面积小，导致材料失效的扩散氢含量少。

4　结束语

HTDS分析法可以把钢材料中扩散氢及非扩散氢定性区分开来并准确测出含量，给出不同温度下氢的含量和状态；为产品生产研发、热处理工艺优化、指导客户使用钢材料等提供重要检测数据，还可以为氢脆失效分析提供有力判据。

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2016-05-30

秦志强(1982—)，男，工程师。电话：13812116593

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