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20SiMn2MoVA钢氢脆断口的分析及消除
余志刚
(宝鸡石油机械有限责任公司，宝鸡721002)
摘 要：针对20SiMn2MoVA高强钢拉伸试验中断面收缩率低的情况，利用扫描电镜和能谱仪等手段对拉伸试样断口进行了分析。试验结果表明，出现在20SiMn2MoVA高强钢拉伸试样断口表面上的圆形白亮斑点是一种氢致缺陷。它是在氢和拉伸应力共同作用下，在应变过程中形成的一种独特断裂面，也是引起钢材断面收缩率低的主要原因。通过采用低温去氢处理后，钢材的断面收缩率得到明显恢复，消除了氢脆断口。
关键词：20SiMn2MoVA钢；氢脆断口；去氢工艺
1 引言
在对20SiMn2MoVA钢进行拉伸试验时，多次发生材料的断面收缩率明显低于技术要求的情况。肉眼观察，拉伸试样断口表面存在着许多大小不一的圆形白亮斑点，直径大者约为1mm，小者如针尖般，如图1所示。根据拉伸试验数据统计结果分析，圆形白亮斑点的数量和尺寸对材料的塑性影响较大，而对材料的强度和冲击韧性无明显影响，即随着拉伸试样断口表面圆形白亮斑点数量的增多和尺寸的增大，材料的断面收缩率越差，说明圆形白亮斑点与材料的塑性存在着直接的关系。
图1 拉伸试样宏观断口
2 试验结果及分析
2.1 化学成分分析
经SPECTROVAC-1000型直读光谱仪和CS-244型碳硫仪分析，材料的化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1999对20SiMn2MoVA钢的成分要求，见表1。
2.2 显微组织分析
取冲击试样经制样后，用4%硝酸酒精溶液侵蚀，在光学显微镜下观察，其显微组织为低碳马氏体，见图2。
图2 20SiMn2MoVA钢的显微组织 400×
图3 圆形白亮斑点形貌(SEM) 200×
2.3 扫描电镜分析
对拉伸试样断口表面圆形白亮斑点进行扫描电镜分析，微观形貌见图3。在圆形白亮斑点心部含有一个棱形脆性夹杂物，对夹杂物放大观察，可以清楚的看到夹杂物与基体分离，见图4。进一步放大观察，夹杂物周围平坦区为准解理脆性断裂形貌(见图5)，而平坦区以外的正常断口为韧窝，见图6。
对夹杂物进行能谱分析，结果见图7。可见夹杂物中主要含铝、钙、铁等元素，结合其形貌特征综合分析，这些夹杂物可能是铝的复合氧化物夹杂。
图4 夹杂物形貌(SEM) 1000×
图5 圆形白亮斑点形貌(SEM) 2000×
图6 基体断口形貌(SEM) 1500×
图7 夹杂物能谱分析结果
3 除氢工艺试验
对直径为250mm有圆形白亮斑点缺陷的原材料，从截面的不同部位取样，加工成<20mm×20mm×200mm的试棒各4件，分别经两种不同的热处理工艺处理后进行拉伸试验。工艺Ⅰ:淬回火，900℃×1h水冷，240℃×6h空冷。工艺Ⅱ:去氢，240℃×24h空冷；淬回火，900℃×1h空冷，240℃×6h空冷。拉伸试验结果见表2。
两种工艺试验结果表明，经过低温去氢处理(工艺Ⅱ)的钢材，钢的断面收缩率得到恢复，拉伸试样断口形貌正常。
4 分析与讨论
根据图1宏观断口分析，圆形白亮斑点无宏观塑性变形，表面洁净，断口齐平、呈银灰色，无腐蚀产物。经放大观察，圆形白亮斑点内可分为裂纹源和扩展区两个部分。在裂纹源点含有一个棱形铝的复合氧化物夹杂，可见裂纹首先在这里形成，这一点从图4中可以清楚的观察到。在扩展区，微观断口为脆性准解理形貌，并与基体断裂区形成鲜明的轮廓。分析结果表明，该断口具有典型的氢脆断裂特征。
工艺试验结果表明，拉伸试样断口表面上的圆形白亮斑点是由氢脆引起的，在氢和拉伸应力共同作用下，在应变过程中形成的一种独特的断裂面。其形成机制是，在拉伸应力作用下，处在点阵间隙的氢原子会通过扩散集中于缺陷所产生的应力集中处，氢原子与位错交互作用，使位错被钉扎，不能自由活动，因而使基体变脆[1]。由于钢中的氢是弥散分布的，所以在拉伸应力的作用下，氢向应力高的裂纹尖端部位扩散聚集，而裂纹却以相同的速度由源点向周围扩展直至断裂，最终形成圆形白亮斑点的断裂面。这种氢致缺陷一般出现在拉伸试样断口上，因其形貌似鱼的眼睛，故称鱼眼[2]。
综合上述试验分析，发生在20SiMn2MoVA钢中的氢脆属于第二类可逆性氢脆，当氢含量极少时它对材料的强度无明显影响，而对材料的断面收缩率影响较大。资料介绍，钢中如果含有4×10-6～5×10-6的氢，其断面收缩率只有不含氢钢的20%[3]。根据氢可以在钢中扩散的原理，对于可逆性氢脆，无论是在热处理前或热处理后，都可以通过低温去氢予以消除。
通过去氢工艺试验，验证了上述分析，使其性能得到明显恢复，氢脆断口消除。
5 结论
(1)氢脆是降低20SiMn2MoVA钢断面收缩率低的主要原因。
(2)发生在20SiMn2MoVA钢中的氢脆属于第二类的可逆性氢脆。通过低温去氢处理，可以使氢含量大大减少，从而达到消除氢脆的目的。
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