分享：表面处理后去氢间隔时间对材料性能的影响

高压电器产品运行的可靠性对电网的供电稳定性至关重要,其零部件的氢脆断裂[1]现象具有无征兆性、延时破坏性、无预判性等特点[2],对工程产品的危害极大。 

关于氢脆机制的研究较多[3-4],包括氢致弱键理论、吸附诱导位错发射机制、氢化物理论、氢增强局部塑性理论和氢压理论等。目前,广泛认为氢脆是应力、应变和氢扩散浓度共同作用的结果,在原材料的加工冶炼过程和零件的制造过程(如电镀、磷化、发黑、焊接等)中,氢原子进入材料内部,在内部残余应力和外部施加应力的作用下,氢原子向组织中的微孔、位错或相界处扩散富集[5-7],当材料中的氢达到一定含量时,内部裂纹会迅速扩展,最终导致材料发生氢脆断裂。 

进入金属材料中的氢分为可逆氢和不可逆氢。可逆氢是指进入金属中的氢原子富集在晶格缺陷处（如空位、位错、相界、夹杂等）[8-9]。氢原子的半径和体积小、质量轻,可通过加热升温的方式去除,以达到消除氢脆的目的。常见的表面处理中,如电镀、酸洗过程中进入金属的氢原子就属于该种类型[10]。不可逆氢是指进入金属中的氢原子在夹杂物界面复合形成氢分子,或与钢中的碳元素发生甲烷化反应,生成新的化合物,这些氢会重新聚集鼓泡,氢鼓泡为不可逆,无法通过加热的方式去除[11]。关于消除氢脆现象的研究较多,但多数集中在去氢工艺,对去氢后的效果,如氢含量变化等的研究较少。 

笔者对金属材料进行发黑和磷化表面处理,然后采用不同的去氢工艺处理材料,对材料去氢后的各项性能进行分析,结果可为金属材料中可逆氢的去除工艺提供参考。 

1.   试样制备与试验方法

1.1   试样制备

试验材料为42CrMo合金钢,热处理方式为淬火回火,硬度为353~381 HB。拉伸试样的结构如图1所示。冲击试样的尺寸（长度×宽度×高度）为10 mm ×10 mm ×55 mm,U型缺口,深度为2 mm,底部曲率半径为1 mm。圆柱形试样的直径为20 mm,高度为20 mm。 

图  1  拉伸试样的结构示意

1.2   试验方法

试样经过发黑和磷化表面处理,放置时间分别为1,2,3,4,5 h,在相同的去氢条件下对试样进行去氢处理,去氢温度为190 ℃,去氢时间为3 h。另加工一组不去氢处理的试样,共计6组。 

按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》,采用电子万能试验机进行拉伸试验。按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》,采用摆锤式冲击试验机进行冲击试验。按照GB/T 23.82—2018《钢铁 氢含量的测定 惰性气体熔融-热导或红外法》,采用氧氮氢分析仪测定试样中的氢含量。按照GB/T 31.1—2018《金属材料 布氏硬度试验方法 第1部分：试验方法》,采用布氏硬度计进行硬度测试。将试样磨制、抛光后,用4%(体积分数)的硝酸乙醇溶液腐蚀,利用光学显微镜观察试样的显微组织。用乙醇溶液反复清洗冲击试样的断口,利用扫描电镜(SEM)观察断口的微观形貌。 

2.   试验结果

2.1   金相检验

未进行表面处理、发黑后间隔1 h去氢和发黑后不去氢试样的显微组织形貌如图2所示。由图2可知：3个试样的显微组织均为回火索氏体,说明发黑处理1 h后去氢处理过程未能达到相变条件,对材料的组织几乎不产生影响。 

图  2  未进行表面处理、发黑后间隔1 h去氢和发黑后不去氢试样的显微组织形貌

2.2   拉伸试验

表面处理后去氢和不去氢试样的抗拉强度测试结果如表1所示。由表1可知：经发黑和磷化两种表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,材料的抗拉强度均呈降低趋势。说明表面处理后,去氢间隔时间越长,氢原子向金属材料内部扩散和富集深度越深,材料组织缺陷处富集的氢原子增多,金属材料内部相界被原子半径很小的氢原子填充,使材料的抗拉强度降低。 

表面处理后去氢和不去氢试样的断后伸长率测试结果如表2所示。由表2可知：经发黑和磷化两种表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,材料的断后伸长率均呈降低趋势,且数值较为接近；去氢间隔1 h试样的断后伸长率达到15%~16%,去氢间隔2~4 h试样的断后伸长率为14%~15%,发黑和磷化后不去氢试样的断后伸长率分别为14.0%和14.3%。说明在表面处理过程中的酸洗时,氢原子进入42CrMo合金钢,材料的塑性对氢原子含量的敏感性较低。 

2.3   冲击试验

表面处理后去氢和不去氢试样的冲击吸收能量如表3所示。由表3可知：经发黑和磷化两种表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,材料的冲击吸收能量均呈先升高后降低的变化趋势；在间隔2 h时,试样的冲击吸收能量达到最大,在间隔4,5 h时,试样的冲击吸收能量与不去氢试样的冲击吸收能量几乎相同；冲击吸收能量最大值和最小值相差不超过10 J。说明在表面处理过程中的酸洗时,氢原子在材料内部聚集,存在分布不均现象,不同去氢间隔时间会对试样的冲击吸收能量产生一定影响,去氢间隔超过3 h后,与不去氢效果相近。 

2.4   断口分析

2.4.1   宏观分析

发黑后去氢间隔1 h、发黑后去氢间隔2 h和发黑后不去氢试样冲击断口的宏观形貌如图3所示。由图3可知：发黑处理后去氢间隔1 h和2 h试样的断口表面平整,均未见明显塑性变形,发黑处理后去氢间隔2 h试样断口的剪切唇较大,放射区较小；发黑后不去氢试样断口的放射区最大。 

图  3  发黑后去氢间隔1 h、发黑后去氢间隔2 h和发黑后不去氢试样冲击断口的宏观形貌

2.4.2   微观分析

发黑后去氢间隔2 h和发黑后不去氢试样冲击断口的SEM形貌如图4所示。由图4可知：去氢试样断口的韧窝分布均匀,呈韧性断裂特征；不去氢试样的断口韧窝分布不均,呈准解理断裂特征。 

图  4  发黑后去氢间隔2 h和发黑后不去氢试样冲击断口的SEM形貌

2.5   硬度测试

试样硬度与去氢间隔时间的关系如图5所示。由图5可知：发黑后不同去氢间隔时间试样的硬度基本一致,为364~367 HB；去氢间隔1 h和2 h时,试样的硬度较高,去氢间隔3 h以上,试样的硬度几乎没有变化；磷化后不同去氢间隔时间试样的硬度基本一致,为358~361 HB,不去氢试样的硬度比去氢试样的硬度略低；采用同一种方式进行表面处理,试样的硬度与去氢的关系不大,发黑试样的硬度比磷化试样的硬度高约5 HB。发黑处理温度为140 ℃,中温磷化温度为65 ℃,说明越接近室温,材料的氢脆敏感性越高,硬度随之降低。 

图  5  试样硬度与去氢间隔时间的关系

2.6   氢元素质量分数测试

试样氢元素质量分数与去氢间隔时间的关系如图6所示。由图6可知：经发黑和磷化两种表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,试样的氢元素质量分数均逐渐增加；磷化后去氢间隔1 h试样的氢元素质量分数最低；发黑后去氢间隔1 h试样的氢元素质量分数最低。经分析,不去氢试样的氢元素质量分数最大。经发黑和磷化处理后,溶入金属中的氢原子富集在晶格缺陷（如空位、位错、晶界、夹杂等）处,可通过加热的方式去氢,在190 ℃条件下保温3 h,可去除发黑和磷化过程中酸洗时进入试样中的氢。 

图  6  试样氢元素质量分数与去氢间隔时间的关系

3.   结论

（1）经发黑和磷化表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,材料的抗拉强度和断后伸长率均呈降低趋势,不去氢试样的抗拉强度和断后伸长率较去氢试样低；发黑和磷化后去氢间隔1 h试样的抗拉强度和断后伸长率最佳。 

（2）经发黑和磷化表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,材料的冲击吸收能量呈先升高后降低的趋势,去氢间隔2 h试样的冲击吸收能量最高。 

（3）经发黑和磷化表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,材料的显微组织与不去氢试样相同,均为回火索氏体。 

（4）经发黑和磷化表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,材料的硬度变化小于5 HB,去氢间隔时间对材料硬度的影响较小；发黑处理试样的硬度比磷化处理试样的硬度高。 

（5）经发黑和磷化表面处理后,随着去氢间隔时间的延长,材料的氢元素质量分数均呈升高趋势。

文章来源——材料与测试网