Corros. Sci. : 熱處理對PH13-8鋼氫致斷裂行為的影響

【引言】

PH13-8Mo是一種低碳含量、沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其特點在于具有高強度的同時，兼有良好的耐蝕和耐應力腐蝕性能，為航空航天等對材料強度和抗腐蝕均有較高要求的領域提供了材料選用綜合解決方案。然而，PH13-8Mo常因氫脆作用發生失效。作為一種高強鋼，氫脆使其在低應力水平下發生脆斷，進而可能導致嚴重事故。此前，雖有學者在特定時效時間條件下，研究時效溫度對其氫脆的影響，但系統性評價系列時效溫度和時效時間下PH13-8Mo不銹鋼的氫脆敏感性尚無先例。

【成果簡介】

近日，美國華盛頓州立大學Li Qizhen（通訊作者）團隊在Corros. Sci.上發表了一篇題為“Effect of heat treatment on hydrogen-assisted fracture behavior of PH13-8Mo steel”的文章。該研究團隊將一種應用于渦輪機葉片的PH13-8Mo棒材經925℃、1h固溶處理、室溫油淬后，分別在430℃、540℃和600℃進行0.5h、4h、10h、30h和78.5h時效處理。熱處理后棒材經機加工后得到拉伸試樣，表面打磨后進行電解充氫和鎘電鍍處理，以滲氫及防止氫溢出。研究人員分析了熱處理對PH13-8Mo組織結構、機械性能和斷口形貌的影響。研究結果表明，氫脆敏感性受時效溫度及時間影響；氫致裂紋沿板條邊界或前驅奧氏體邊界萌生擴展；氫脆敏感性與斷裂形式之間存在量化關系。

【致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Li Qizhen的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！】

【圖文解讀】

表1 化學成分（wt%）

圖1 時效處理后光學顯微結構

(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。

圖2 時效處理后透射電鏡明場像

(a) 430℃，0.5h；

(a’) 430℃，78.5h；

(b) 540℃，0.5h；

(b’) 540℃，78.5h；

(c) 600℃，0.5h；

(c’) 600℃，78.5h。

圖3 不同時效溫度下奧氏體含量隨時效時間變化關系

黑色方塊為430℃；紅色圓點為540℃；藍色菱形為600℃。

圖4 78.5h時效處理后NiAl沉淀顆粒透射電鏡暗場像

(a) 430℃；

(b) 540℃；

(c) 600℃；

(a’) (b’) (c’)為選定區域的電子衍射花樣。

圖5 氫脆敏感性與屈服強度、抗拉強度、硬度的關系

(a) 屈服強度；

(b) 抗拉強度；

(c) 硬度。

圖6 HC試樣脆性區和中心韌窩區界面典型掃描電鏡圖像

綠色箭頭指示二次裂紋；黑色箭頭指示撕裂脊；紅圈指示微孔。

圖7 不同因素對HEI的影響

(a) QC脆性區深度；

(b) IG和QC脆性區深度；

(c) IG脆性區深度；

(d) QC區域面積比；

(e) IG和QC區域面積比；

(f) IG區域面積比變化。QC（準解離斷裂，Quasi-cleavage Fracture）； IG（沿晶斷裂，Intergranular Fracture）。K為直線斜率；540℃、0.5h和4h時效處理試樣不適用。

圖8 HEI影響因素

(a)脆性區深度;

(b)脆性區面積比變化540℃、0.5h和4h時效處理試樣不適用。

圖9 78.5h時效處理PH13-8Mo不銹鋼氫致裂紋

(a) 430℃；

(b) 540℃；

(c) 600℃。

圖10 不同時效溫度下HEI隨時效時間變化比較

黑色方塊為430℃；紅色圓點為540℃；藍色菱形為600℃。

圖11 4h時效處理HEI隨時效時間變化與前期研究成果比較

藍色五角星為本研究成果；其余圖標為前期研究成果。

圖12 計算得出的氫擴散系數(D, hydrogen diffusion coefficient)與奧氏體含量(CA, content of anstenite)比較

黑色方塊為430℃；紅色圓點為540℃；藍色三角形為600℃；擬合曲線如圖所示。

【小結】

本文研究表明：

1）氫化后PH13-8Mo鋼強度受時效溫度影響。

2）時效溫度影響氫脆敏感性隨時效時間的變化趨勢。因此認為高溫長時時效處理可以改進材料抗氫脆能力。

3）氫致裂紋沿板條邊界或者前驅奧氏體邊界萌生擴展。這一現象可由HEDE（Hydrogen Enhanced Decohesion）機理來解釋，即邊界位置是應力集中和氫原子陷阱位置。

4）氫化處理影響試樣斷裂形式。未經氫化處理的試樣為韌性斷裂；電解充氫后試樣斷面包含中心韌窩和邊緣脆性兩個區域，分別對應準解理斷裂和沿晶斷裂。

5）對于電解充氫試樣，其氫脆敏感性（HEI）與脆性區深度（BZD）和脆性斷裂面積比（BZAF）具有定量關系。定量關系表明，HEI隨斷面上BZD和BZAF的增加而增加，與斷裂形式無關。

文獻鏈接：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)

本文由材料人編輯部詹英杰編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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