陈冬,等.影响高强度低合金钢氢脆的因素

本文根据参考文献编写：王洪海，陈俊德，陈东，等。 高强度低合金钢氢脆影响因素[J]. 石化装备，2018，47（4）。

1、氢脆过程

钢在高压氢环境下的氢脆可分为以下过程：

1、氢渗透。 在高压氢气环境下，吸附在钢材表面的氢离解成氢原子并渗透到钢材内部。

2.吸收氢气。 渗透的氢被位错、晶界、析出物和各种晶格缺陷形成的陷阱捕获。

3.氢气的积累。 在应力诱导下，氢会积聚在应力集中的位置，例如夹杂物偏析和材料缺陷。

4.氢致裂解HIC。 当局部氢质量分数大于引发裂纹扩展所需的临界氢质量分数时，由于氢压力的作用，在缺陷前沿形成局部塑性区，诱发裂纹或产生延迟断裂。

2. 使用材料

具有面心立方结构的金属，如不锈钢、铝合金、铜及铜合金，通常具有较好的抗氢脆性能。 然而，不锈钢和铝合金的低强度和晶间腐蚀倾向限制了它们在高压氢气中的使用。 系统中的应用程序。 高强度低合金钢，主要是铬钼钢和铬镍钼钢，具有优良的综合性能和良好的经济性。

3、材料自身因素对其抗氢脆能力的影响

3.1. 力量

强度等级高的钢材在发生塑性变形时弹性应变较大，导致缺陷或裂纹底部的缺口敏感性较高，裂纹扩展所需的应力强度较低，因而表现出较高的氢脆敏感性。 。

3.2 微观结构

氢在不同的微观结构中具有不同的扩散性和溶解度。 因此，不同的微观结构对氢脆的敏感性不同。 实验研究表明，不同组织对氢脆的敏感性由大到小排列为：原始马氏体>低温回火马氏体>原始马氏体取向的回火屈氏体>贝氏体>回火索氏体（高温回火）>平衡索氏体（等温淬火） ）>珠光体（高温退火）。

3.3 晶粒尺寸

晶粒细化对于提高钢的力学性能，特别是强度和韧性具有重要作用。 同时，晶粒细化也有利于降低钢的氢脆敏感性，主要表现在：

① 当存在应力并引起变形时，钢中氢的迁移主要是通过科特雷尔气团和位错的输送。 晶界对科特雷尔气团和位错的运动有一定的阻挡作用。

②晶粒细化，晶界内表面相应增大，可以捕获更多的氢，有利于降低缺陷部位的局部氢质量分数。

③细晶粒晶界较致密，晶界结合力增强，引发裂纹扩展所需的临界氢质量分数增大。

④细化晶粒和较多晶界也能阻碍微裂纹的扩展。

⑤增加单位体积内晶界内表面积，可以降低晶界处S、P杂质的偏析浓度，使断裂机制由沿晶断裂转变为穿晶断裂，从而增大钢的断裂应力。

3.4 化学成分（碳化物）

材料的化学成分直接影响其强度水平、热处理后的显微组织和晶粒尺寸，因此化学成分是影响氢脆敏感性的根本因素。

合金元素Cr、Mo、V、Nb、Ti在钢中能形成比Fe3C更稳定的碳化物。 均匀分散在晶格中的细小球形碳化物增加了与基体界面的接触面积，成为不可逆的捕获氢的途径。 陷阱。 这类氢陷阱与氢原子之间的结合能比较大，氢需要在很高的温度下被捕获才能解吸。 增加此类陷阱的数量可以减缓钢中氢的扩散，从而达到降低缺陷部位局部氢质量分数的目的。 然而，如果碳化物尺寸增大并变得不规则，它将在钢中充当夹杂物，不仅会破坏基体的连续性，而且还可能在晶粒之间偏析，引起氢致裂纹（HIC）的产生。观点。

3.5 化学成分（杂质）

Al、Si、Mn、S、P等元素在炼钢或轧钢过程中容易形成偏析或夹杂物。 虽然夹杂物也是氢的强陷阱，但它们与分散在基体组织中的细小碳化物（Cr、Mo、V、Nb、Ti碳化物）不同。 夹杂物尺寸较大，与基体的结合强度较低。 降低，破坏基体的连续性，片状或条状夹杂物也会造成钢性能的各向异性。 另外，夹杂物与基体的热膨胀系数不同，在拉应力和热应力的作用下，界面处容易形成应力集中和微孔洞。 微孔在钢中的作用相当于微裂纹。 钢中的扩散氢在空隙中积聚。 随着氢浓度的增加，氢压力（或氢引起的附加应力）增加，诱发裂纹并扩展成HIC。 靠近的平行裂纹将继续连接并继续增长。 由于裂纹尖端干涉较大，裂纹很容易弯曲成阶梯状，逐渐形成较大的阶梯状裂纹。 随着氢积累的增加，靠近表面的夹杂物处形成的裂纹形成氢鼓泡。

适量的Ca和RE稀土元素可以抑制硫化物夹杂物的形成并改变其形态，提高钢的抗氢脆性能。

3.6 材料表面粗糙度

表面粗糙度增加通常会降低钢的疲劳寿命。 在高压氢气环境下，表面粗糙度对钢材的疲劳寿命影响更为严重。 这是因为表面粗糙度值越大，表面的微观缺陷和沟槽越深，沟槽基部半径越小，在拉伸载荷作用下产生的应力集中越严重。 氢在钢中的扩散是由化学势能的差异驱动的，从化学势高的位置迁移到化学势低的位置。 三维拉应力的存在会降低钢基体中氢的化学势，高压氢环境中通过物理吸附和化学吸附过程吸附在钢表面的原子氢会积累到应力集中位置在应力诱导作用下。

3.7 材料缺陷

材料的缺陷包括钢铁冶炼、轧制过程中产生的内部缺陷和后续热、冷加工过程中产生的表面缺陷。 表面缺陷比表面粗糙度产生更严重的应力集中。 因此，表面缺陷对高压氢环境下钢的氢脆敏感性也有较大影响。