摘 要:針對重型 H 型鋼在縱向拉伸和Z 向拉伸試驗中塑性低和斷口出現(xiàn)銀白色斑點等異常 現(xiàn)象,采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、斷口分析以及去氫退火試驗等方法,對造成上述異 常現(xiàn)象的原因進行了分析。結果表明:試樣斷口表面上存在的銀白色斑點是氫不斷地向試樣材料 缺陷處(氫陷阱)聚集而形成的“白點”。去氫退火可以有效地使恢復材料的塑性。 

關鍵詞:重型 H 型鋼;斷口;氫脆;去氫退火;塑性 

中圖分類號:TG115.2                                                          文獻標志碼:B                                           文章編號:1001-4012(2022)05-0007-05

近年來,大跨度橋梁、超高層建筑以及大型體育場館建設對大尺寸、厚翼緣和厚腹板的 H 型鋼的需 求不斷增加。重型熱軋 H 型鋼的外形尺寸、翼緣和 腹板厚度較大,具有較高的受力安全系數,是建設大 跨度橋梁和高層建筑鋼結構所需的理想材料,也是 目前國內外研究開發(fā)的重點[1-3]。在部分重型 H 型 鋼的力學性能試驗中,發(fā)現(xiàn)其縱向拉伸和Z 向拉伸 斷口出現(xiàn)大小不一的銀白色斑點,同時材料的塑性明顯降低。根據試驗數據統(tǒng)計結果可知,銀白色斑 點的數量和尺寸對材料的塑性影響較大,銀白色斑 點尺寸越大、數量越多,材料的塑性越低,而其對材 料的抗拉強度和屈服強度無明顯影響,說明銀白色 斑點與材料的塑性存在直接關系。為查明造成此種 影響的根本原因,筆者對存在銀白色斑點的重型 H 型鋼材料取樣并進行拉伸試驗,對拉伸試樣進行理 化檢驗與分析。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

對試樣拉伸斷口(見圖1)進行宏觀觀察,由圖1 可知:縱向拉伸斷口較為平整,高低起伏不大,塑性 變形不明顯,在斷口表面存在肉眼可見的魚眼狀銀 白色斑點;Z 向拉伸斷口高低起伏較為明顯,但是不 存在剪切唇、放射區(qū)和纖維區(qū),同樣在斷口面存在魚 眼狀銀白色斑點。通過對試樣縱向拉伸斷口側面 (見圖2)進行觀察,發(fā)現(xiàn)沿拉伸方向存在一系列微 孔和裂紋,并有翹皮現(xiàn)象,這是由試樣中的氣孔鼓泡 在拉伸過程中破裂造成的。

1.2 化學成分分析 

采用直讀光譜儀對試樣的化學成分進行分析, 結果如表1所示。由表1可知,材料的化學成分符 合標準要求。采用定氫分析儀對試樣的氫含量進行 了測定,氫含量(氫元素的濃度)達到10mg/kg。結 合斷口宏觀形貌分析,可以初步判定斷口處的銀白 色斑點屬于氫致白點[4-5]。

1.3 金相檢驗 

對試樣斷口附近進行金相檢驗和夾雜物分析, 其顯微組織為鐵素體+珠光體,帶狀組織不明顯,晶 粒度為7.5~8.0級,無其他異常組織(見圖3)。圖4 為 拉伸試樣側面孔洞周邊缺陷顯微組織形貌,可以看出孔洞周邊缺陷顯微組織為鐵素體+珠光體,有 變形跡象,但與其他部位顯微組織相比并無異常,未 發(fā)現(xiàn)明顯粗大夾雜物、組織偏析和其他異常組織。 依據 GB/T10561-2005 《鋼中非金屬夾雜物含量 的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對非金屬夾雜物進 行評級,夾雜物級別較低,未發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物的存 在(見表2)[6]。 

1.4 斷口微觀形貌分析 

采用掃描電鏡(SEM)對縱向和Z 向拉伸斷口 進行顯微觀察,圖5,6分別為縱向拉伸和Z 向拉伸 斷口顯微組織形貌。兩種斷口在斷面上均存在大小 不同的扁平特征區(qū)域,即為肉眼觀察的銀白色斑點, 該區(qū)域與周邊存在明顯的分界,與基體斷裂區(qū)形成 明顯的輪廓。在平坦區(qū)域內部斷口形貌為舌狀花 樣,局部存在發(fā)紋特征,具有明顯的脆性斷裂特征, 該區(qū)域的斷裂形式以準解理斷裂為主。拉伸試樣側 面孔洞翹皮缺陷處形貌與拉伸斷口形貌類似,均為 準解理斷裂,本質上是同一類型斷口(見圖7)。在 整個斷口面上除銀白色斑點外,其他區(qū)域均存在斷 裂韌窩,說明在斷口表面的銀白色斑點區(qū)域為解理 斷裂的脆性斷裂,其他區(qū)域仍然為以韌窩為主的韌 性斷裂(見圖8)。將斷口銀白色斑點區(qū)域放大,可以觀察到在中心區(qū)域存在細小夾雜物,能譜分析結果 表明,其主要成分為鈣的復合夾雜物(見圖9,10)。 由斷口微觀形貌可知,拉伸過程中銀白色斑點區(qū)域 由于基體脆化和第二相的作用而萌生裂紋,并發(fā)生 擴展直至斷裂,屬于氫致脆性斷裂[7-8]。

1.5 去氫退火試驗 

為了進一步驗證試樣的氫脆行為,對同一批拉伸 試樣進行去氫退火處理,溫度為500 ℃,保溫時間為 4h,然后隨爐緩慢冷卻。經定氫 儀 測 定 氫 含 量 為 4mg/kg,較退火前氫含量(10mg/kg)大幅度降低。

試樣去氫退火前后力學性能如表3所示,可見試樣 經過去氫退火后,其塑性明顯提高,但是強度提高較少。 大量試驗結果表明,去氫退火后試樣強度和塑性的均勻 性也明顯提高。經去氫退火后試樣斷口形貌如圖11所 示,此時斷口微觀表面已無銀白色斑點,全部為大小均勻 分布的韌窩,表明試樣斷裂斷質為韌性斷裂。 

2 綜合分析 

重型 H 型鋼在冶煉、軋制過程中不可避免地會 受到來自大氣中水蒸氣、礦石或合金中水分以及廢 鋼中鐵銹的氫侵入[9]。氫在鋼中的破壞機理是:由 于氫在液態(tài)鋼水中的溶解度遠高于其在固態(tài)金屬中 的溶解度,因此重型 H 型鋼在冶煉過程中,液態(tài)金 屬中的氫在凝固時來不及逸出而殘留在金屬中,造 成氫在材料中不斷擴散并聚集,當局部聚集達到一 定含量時,會造成白點、氫鼓泡等現(xiàn)象。氫在鋼中局 部聚集 使 材 料 脆 化、承 載 能 力 下 降 以 及 塑 性 降 低[10]。由于重型 H 型鋼翼緣和腹板厚度較大,分 別為67.6,42mm,因此氫更加不易擴散和逸出,從而在心部聚集,更容易產生氫脆現(xiàn)象。一般情況下 氫聚集在材料缺陷比較嚴重的部位,如夾雜物、碳化 物、微氣孔等處。在缺陷處,氫原子結合成氫分子, 由此產生明顯的應力,并形成氫氣泡[11]。在縱向和 Z 向拉伸過程中,這些缺陷位于重型 H 型鋼表面 處,氫氣泡與基體變形不一致造成氣泡破裂,所以在 拉伸試樣側面形成翹皮缺陷。

3 結論及建議 

重型 H 型鋼拉伸斷口異常以及塑性降低的原 因是材料氫含量過高,產生氫脆。氫脆現(xiàn)象可以通 過去氫退火消除,屬于可逆性氫脆。 

為避免此類問題發(fā)生,建議加強煉鋼原材料管理, 避免因原材料受潮造成外來氫的侵入。在冶煉過程 中,可以進行真空循環(huán)脫氣爐處理,優(yōu)化真空工藝路 線,使初始氫從鋼水中逸出,以降低鋼水中的氫含量。

參考文獻: 

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<文章來源  > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 5期 (pp:7-11)>