Corros. Sci. : 热处理对PH13-8钢氢致断裂行为的影响

【引言】

PH13-8Mo是一种低碳含量、沉淀硬化型马氏体不锈钢，其特点在于具有高强度的同时，兼有良好的耐蚀和耐应力腐蚀性能，为航空航天等对材料强度和抗腐蚀均有较高要求的领域提供了材料选用综合解决方案。然而，PH13-8Mo常因氢脆作用发生失效。作为一种高强钢，氢脆使其在低应力水平下发生脆断，进而可能导致严重事故。此前，虽有学者在特定时效时间条件下，研究时效温度对其氢脆的影响，但系统性评价系列时效温度和时效时间下PH13-8Mo不锈钢的氢脆敏感性尚无先例。

【成果简介】

近日，美国华盛顿州立大学Li Qizhen（通讯作者）团队在Corros. Sci.上发表了一篇题为“Effect of heat treatment on hydrogen-assisted fracture behavior of PH13-8Mo steel”的文章。该研究团队将一种应用于涡轮机叶片的PH13-8Mo棒材经925℃、1h固溶处理、室温油淬后，分别在430℃、540℃和600℃进行0.5h、4h、10h、30h和78.5h时效处理。热处理后棒材经机加工后得到拉伸试样，表面打磨后进行电解充氢和镉电镀处理，以渗氢及防止氢溢出。研究人员分析了热处理对PH13-8Mo组织结构、机械性能和断口形貌的影响。研究结果表明，氢脆敏感性受时效温度及时间影响；氢致裂纹沿板条边界或前驱奥氏体边界萌生扩展；氢脆敏感性与断裂形式之间存在量化关系。

【致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Li Qizhen的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！】

【图文解读】

表1 化学成分（wt%）

图1 时效处理后光学显微结构

(a) 430℃，0.5h；

(b) 430℃，30h；

(c) 430℃，78.5h；

(d) 540℃，0.5h；

(e) 540℃，30h；

(f) 540℃，78.5h；

(g) 600℃，0.5h；

(h) 600℃，30h；

(i) 600℃，78.5h。

图2 时效处理后透射电镜明场像

(a) 430℃，0.5h；

(a’) 430℃，78.5h；

(b) 540℃，0.5h；

(b’) 540℃，78.5h；

(c) 600℃，0.5h；

(c’) 600℃，78.5h。

图3 不同时效温度下奥氏体含量随时效时间变化关系

黑色方块为430℃；红色圆点为540℃；蓝色菱形为600℃。

图4 78.5h时效处理后NiAl沉淀颗粒透射电镜暗场像

(a) 430℃；

(b) 540℃；

(c) 600℃；

(a’) (b’) (c’)为选定区域的电子衍射花样。

图5 氢脆敏感性与屈服强度、抗拉强度、硬度的关系

(a) 屈服强度；

(b) 抗拉强度；

(c) 硬度。

图6 HC试样脆性区和中心韧窝区界面典型扫描电镜图像

绿色箭头指示二次裂纹；黑色箭头指示撕裂脊；红圈指示微孔。

图7 不同因素对HEI的影响

(a) QC脆性区深度；

(b) IG和QC脆性区深度；

(c) IG脆性区深度；

(d) QC区域面积比；

(e) IG和QC区域面积比；

(f) IG区域面积比变化。QC（准解离断裂，Quasi-cleavage Fracture）； IG（沿晶断裂，Intergranular Fracture）。K为直线斜率；540℃、0.5h和4h时效处理试样不适用。

图8 HEI影响因素

(a)脆性区深度;

(b)脆性区面积比变化540℃、0.5h和4h时效处理试样不适用。

图9 78.5h时效处理PH13-8Mo不锈钢氢致裂纹

(a) 430℃；

(b) 540℃；

(c) 600℃。

图10 不同时效温度下HEI随时效时间变化比较

黑色方块为430℃；红色圆点为540℃；蓝色菱形为600℃。

图11 4h时效处理HEI随时效时间变化与前期研究成果比较

蓝色五角星为本研究成果；其余图标为前期研究成果。

图12 计算得出的氢扩散系数(D, hydrogen diffusion coefficient)与奥氏体含量(CA, content of anstenite)比较

黑色方块为430℃；红色圆点为540℃；蓝色三角形为600℃；拟合曲线如图所示。

【小结】

本文研究表明：

1）氢化后PH13-8Mo钢强度受时效温度影响。

2）时效温度影响氢脆敏感性随时效时间的变化趋势。因此认为高温长时时效处理可以改进材料抗氢脆能力。

3）氢致裂纹沿板条边界或者前驱奥氏体边界萌生扩展。这一现象可由HEDE（Hydrogen Enhanced Decohesion）机理来解释，即边界位置是应力集中和氢原子陷阱位置。

4）氢化处理影响试样断裂形式。未经氢化处理的试样为韧性断裂；电解充氢后试样断面包含中心韧窝和边缘脆性两个区域，分别对应准解理断裂和沿晶断裂。

5）对于电解充氢试样，其氢脆敏感性（HEI）与脆性区深度（BZD）和脆性断裂面积比（BZAF）具有定量关系。定量关系表明，HEI随断面上BZD和BZAF的增加而增加，与断裂形式无关。

文献链接：Effect of heat treatment on hydrogen-assisted fracture behavior of PH13-8Mo steel(Corros. Sci., september 15, 2017, DOI: 10. 1016/j. corsci. 2017. 09. 018)

本文由材料人编辑部詹英杰编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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