高強(qiáng)度低合金鋼氫脆預(yù)防措施

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(德新鋼管(中國(guó))有限公司，江蘇 無(wú)錫 214177)

氫能被認(rèn)為是解決全球能源危機(jī)、氣候惡化和環(huán)境污染的有效途徑之一，包括中國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家都在積極推進(jìn)氫能的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。氫能的快速發(fā)展對(duì)安全、高效的氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸系統(tǒng)提出了更高的要求。例如，加氫站實(shí)施氫氣快充所需的理想氫氣儲(chǔ)存壓力在70 MPa以上。隨著氫氣壓力的提高，金屬材料的氫脆加劇，如何提高材料的抗氫脆性能或制訂合理的預(yù)防措施防止氫脆發(fā)生成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

以鉻鉬鋼和鉻鎳鉬鋼為主的高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼具有優(yōu)良的綜合性能和良好的經(jīng)濟(jì)性，已廣泛應(yīng)用于45 MPa以下的氫氣系統(tǒng)[1]。為了能夠在更高壓力等級(jí)的氫氣系統(tǒng)中安全、高效地使用HSLA鋼，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[2-3]。王洪海在文獻(xiàn)[4]中綜合分析了影響HSLA鋼常溫高壓氫脆的內(nèi)部和外部因素，其中內(nèi)部因素包括材料的強(qiáng)度、顯微組織和晶粒度、化學(xué)成分、表面粗糙度及缺陷，外部因素包括氫氣壓力、氫氣純度、溫度及應(yīng)變速率等。文中針對(duì)這些內(nèi)部和外部影響因素，提出了預(yù)防HSLA鋼氫脆的兩大類(lèi)措施，一是從內(nèi)部影響因素入手提高材料本身的抗氫脆性能，二是從外部影響因素入手降低氫的吸附和滲透。這些預(yù)防措施，可為高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)和選材提供借鑒和參考。

1 鋼種選擇和成分控制

各種HSLA鋼中，鉻鉬鋼和鉻鎳鉬鋼的抗氫脆性能優(yōu)于碳錳鋼[5]，尤其是當(dāng)鋼中的Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.2%時(shí)，鋼對(duì)氫致開(kāi)裂(HIC)的敏感性增大[6]。因此，除了不銹鋼和鋁合金之外，高壓氫氣系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用鉻鉬鋼和鉻鎳鉬鋼，而這2種鋼中鉻鉬鋼的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于鉻鎳鉬鋼。歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)(EIGA)推薦使用的氫氣容器用鋼為34CrMo4[7]。TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[8](簡(jiǎn)稱(chēng)固定容規(guī))要求氫氣瓶式容器所用材料的C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.35%，屈強(qiáng)比不大于0.86，斷后延伸率不小于20%，橫向沖擊功不小于47 J，據(jù)此就可以把碳錳鋼排除在外。GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》[9]規(guī)定瓶體材料只能使用鉻鉬鋼，材料牌號(hào)限定為30CrMo和4130X。

國(guó)內(nèi)氫氣容器用鋼的C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.35%，EIGA推薦使用的34CrMo4鋼中C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.37%，美國(guó)廣泛應(yīng)用于氫氣容器的鉻鉬鋼SA372 Gr. J鋼中的C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.50%，但其在100 MPa的氫氣環(huán)境中表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗氫脆性能[10]，這說(shuō)明影響HSLA鋼氫脆敏感性的主要因素并非C元素含量，而是回火過(guò)程中析出的碳化物的特征、大小及分布等。研究表明，碳化物質(zhì)點(diǎn)與鐵素體交界面的面積越大，即碳化物分布得越彌散，則鋼的抗氫脆能力越高[11]。鉻鉬鋼中的Mo元素能阻礙碳化物長(zhǎng)大，并降低S、P等雜質(zhì)元素在晶界的偏聚量，從而提高鋼的抗氫脆性能。對(duì)于不同成分的鉻鉬鋼，Mo元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定的范圍內(nèi)才能達(dá)到最佳的效果，42CrMo鋼和AISI4130鉻鉬鋼中含有的Mo元素的理想質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.15%和0.75%～0.90%[12-13]。對(duì)于壓力容器常用鉻鉬鋼30CrMo、4130X、34CrMo4、SA372Gr. J等來(lái)說(shuō)，其所含Mo元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.25%～0.30%。因此，可通過(guò)適當(dāng)提高M(jìn)o元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)改善鋼的抗氫脆性能。除此之外，合金元素V、Nb、Ti在鋼中形成的微細(xì)碳化物也有利于降低鋼的氫脆敏感性[14-16]，可通過(guò)對(duì)鉻鉬鋼進(jìn)行微合金化來(lái)改善其抗氫脆性能，但是在熱處理過(guò)程中應(yīng)注意控制這些合金碳化物的尺寸。尺寸超過(guò)5 μm的碳化物，在鋼中有類(lèi)似于夾雜的作用，會(huì)成為氫的富集中心和HIC的起始點(diǎn)，反而不利于改善鋼的抗HIC性能[17]。

S、P、Al、Si、Mn等元素在煉鋼或鋼的軋制過(guò)程中容易形成偏析或夾雜，均不利于改善HSLA鋼的抗氫脆性能。S元素和Mn元素的親和力較強(qiáng)，在鋼中通常以MnS夾雜的形式存在，片狀或長(zhǎng)條狀的MnS夾雜在鋼中相當(dāng)于缺口和裂紋[18]，對(duì)氫脆較為敏感[19]。P元素常以Mn-P和Si-P夾雜的形式偏聚在原奧氏體晶界處[20]，使鋼在臨氫環(huán)境中的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KTH降低[21-22]。因此，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼中S元素和P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制較嚴(yán)，ISO 11120—1999《150～3 000 L無(wú)縫鋼質(zhì)氣瓶設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》要求鋼中S元素和P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別不超過(guò)0.020%，兩者總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.030%。而在2015版的該標(biāo)準(zhǔn)中則要求w(S)≤0.010%，兩者總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.025%[23]。GB/T 33145—2016直接引用了2015版的ISO 11120對(duì)S、P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的要求，而固定容規(guī)則要求w(S)≤0.008%、w(P)≤0.015%。

除了嚴(yán)格限制S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)并控制Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)減少硫化物夾雜之外，還可以在鋼的冶煉過(guò)程中噴吹適量的Si-Ca以抑制硫化物的生長(zhǎng)，改善其形狀和分布。硫化物呈球狀均勻分布有利于改善鋼的抗HIC性能。Ca元素的加入量可通過(guò)下式中的鈣氧硫指數(shù)CSI 計(jì)算獲得：

CSI=(0.547×w(Ca) -0.108×w(S)-0.225×w(O)-0.547×10-6) /w(S)

當(dāng)CSI降低至0.8時(shí)，裂紋長(zhǎng)度率CLR(總裂紋長(zhǎng)度與試樣寬度的百分比)趨近于0[24]，此時(shí)根據(jù)鋼中O元素和S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可計(jì)算出Ca元素的理論加入量。但是，采取噴吹Si-Ca措施后仍會(huì)殘留少量長(zhǎng)條狀的MnS，可再加入適量稀土元素(RE)，用RE取代Mn與S生成Ce2S、CeS、CeOS2、RE2S3等穩(wěn)定的RE硫化物，進(jìn)一步提高材料的抗HIC性能[25]。

Al、Si是煉鋼時(shí)常用的脫氧元素，部分脫氧產(chǎn)物Al2O3和SiO2會(huì)在鋼水澆注時(shí)滯留在鋼液中形成Al2O3夾雜和硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜(SiO2-Al2O3)。氫在殘余拉應(yīng)力的作用下容易積聚在這些夾雜與基體的界面部位，成為發(fā)生HIC的起始點(diǎn)[26-27]。因此，煉鋼時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拿撗豕に嚭途珶捁に嚕匀コ撗醍a(chǎn)物Al2O3和SiO2[28]。

2 控制強(qiáng)度并提高韌性

HSLA鋼的氫脆敏感性隨著強(qiáng)度的升高而增大[29]。因此，壓力容器標(biāo)準(zhǔn)通常對(duì)氫氣容器的抗拉強(qiáng)度上限做出規(guī)定，并要求有足夠的塑性和韌性?xún)?chǔ)備。國(guó)內(nèi)的固定容規(guī)要求氫氣瓶式容器的抗拉強(qiáng)度不高于880 MPa，屈強(qiáng)比不大于0.86，斷后延伸率不小于20%，橫向沖擊功不小于47 J[8]。GB/T 33145—2016對(duì)大容積氫氣無(wú)縫氣瓶的要求基本相同，只是進(jìn)一步細(xì)化了對(duì)沖擊功的要求，即3個(gè)全尺寸橫向試樣的平均沖擊功不低于60 J、最小沖擊功不低于48 J[9]。對(duì)于公稱(chēng)工作壓力不大于20 MPa的中、小容積氣瓶，氣瓶規(guī)程允許材料的實(shí)際抗拉強(qiáng)度可以提高到950 MPa[30]，此時(shí)鋼材的實(shí)際屈強(qiáng)比應(yīng)不大于0.9。

歐美及ISO壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中通常將950 MPa作為氫氣容器的抗拉強(qiáng)度界限[31,23]。如ASME VIII Div.3-KD10—2015《關(guān)于氫氣容器的特殊要求》規(guī)定材料的抗拉強(qiáng)度不超過(guò)945 MPa，氫分壓在41 MPa以下的無(wú)縫容器可按常規(guī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，氫分壓超過(guò)41 MPa或者抗拉強(qiáng)度超過(guò)945 MPa的無(wú)縫容器則必須按照在氫氣環(huán)境中測(cè)定的KTH和疲勞裂紋擴(kuò)展(FCG)速率進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)[31]。ISO 11120—2015要求大容積氫氣無(wú)縫氣瓶的抗拉強(qiáng)度上限一般不超過(guò)950 MPa，設(shè)計(jì)保證的屈強(qiáng)比不大于0.85，斷后延伸率不小于16%，3個(gè)縱向試樣在-20 ℃下的沖擊平均值不小于50 J/cm2，最小值不小于40 J/cm2，側(cè)向膨脹量大于0.4 mm[23]。對(duì)于公稱(chēng)工作壓力不超過(guò)30 MPa的無(wú)縫氣瓶，如果材料的抗拉強(qiáng)度超過(guò)950 MPa，應(yīng)按照ISO 11114-4—2005《選擇抗氫脆的金屬材料的試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行氫適用性評(píng)價(jià)[32]。ISO 11114-4給出了3種材料評(píng)價(jià)方法：圓盤(pán)破裂試驗(yàn)(方法A)、斷裂力學(xué)試驗(yàn)(方法B)和氫助開(kāi)裂試驗(yàn)(方法C)，通過(guò)任一種方法測(cè)試合格的材料可在該強(qiáng)度水平下用于氣瓶設(shè)計(jì)，但是材料的抗拉強(qiáng)度上限在任何情況下都不能超過(guò)1 100 MPa。

3 組織優(yōu)化和晶粒細(xì)化

有研究表明，鋼的不同顯微組織對(duì)氫脆的敏感性不同[33]。文獻(xiàn)[34]給出了以下顯微組織氫脆敏感性從大到小的排序：原始馬氏體>低溫回火的馬氏體>帶有原始馬氏體位向的回火屈氏體>貝氏體>回火索氏體(高溫回火)>平衡索氏體(等溫淬火)>珠光體(高溫退火)。未回火的馬氏體和回火屈氏體具有強(qiáng)烈的氫脆敏感性，充氫后通常表現(xiàn)為沿晶斷裂，對(duì)結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)熱影響區(qū)產(chǎn)生的回火屈氏體應(yīng)通過(guò)焊后熱處理消除。鋼中由于Mn、S、P元素偏析造成的帶狀組織也會(huì)增大HIC的傾向[35]，熱處理時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)這種組織。另外，可通過(guò)合理的熱處理工藝獲得理想的顯微組織來(lái)改善材料的抗氫脆性能，例如對(duì)于30CrMnSiA鋼材料采用亞溫淬火工藝，熱處理后的少量韌性鐵素體和殘余奧氏體可以防止應(yīng)力集中，阻止HIC的擴(kuò)展[36]。采用等溫淬火工藝可以得到下貝氏體加奧氏體小島組織，下貝氏體呈針狀分割?yuàn)W氏體晶粒，使晶格單元細(xì)化，基體塑性和韌性得到改善，氫脆敏感性降低[37]。對(duì)30CrMo氣瓶鋼進(jìn)行淬火—碳分配—回火(A—P—T)熱處理可以提高其殘余奧氏體含量，改善組織均勻性，使綜合性能得到提高[38]。

晶粒細(xì)化不僅可以提高鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性，同時(shí)還有助于降低鋼的氫脆敏感性[39]。Hall-Petch關(guān)系式為鋼的晶粒細(xì)化提供了理論基礎(chǔ)[40-41]。工程實(shí)踐中可從以下3個(gè)環(huán)節(jié)考慮晶粒細(xì)化工藝：①在鋼材軋制過(guò)程中細(xì)化母材的晶粒。通常鋼的原始組織越細(xì)小，相界面的數(shù)量越多，奧氏體形核率增加，越有利于晶粒細(xì)化[42]。②在產(chǎn)品的機(jī)械加工尤其是熱加工過(guò)程中防止晶粒粗化。例如在管制無(wú)縫鋼瓶和瓶式容器的收口過(guò)程中，管端的加熱溫度已經(jīng)超過(guò)鋼的奧氏體化溫度，加熱溫度越高、在高溫下保溫時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒越粗大[43]。因此，收口過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡可能地控制加熱溫度并縮短加熱時(shí)間。③在產(chǎn)品的最終熱處理過(guò)程中進(jìn)一步細(xì)化晶粒。這一點(diǎn)可通過(guò)以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：一是細(xì)化起始奧氏體晶粒，二是阻止已經(jīng)形成的奧氏體晶粒在高溫下長(zhǎng)大。第一方面可通過(guò)適當(dāng)提高淬火加熱速度并控制淬火溫度實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于熱加工過(guò)程中過(guò)熱造成的粗大晶粒，需通過(guò)奧氏體晶粒重結(jié)晶工藝進(jìn)行改善，此時(shí)加熱速度過(guò)高或過(guò)低都可能發(fā)生組織遺傳，維持原始的粗大晶粒，只有以中等速度加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫區(qū)，并快速冷卻才可以達(dá)到明顯的晶粒細(xì)化效果[44]。第二方面可通過(guò)鋼的合金化實(shí)現(xiàn)，固溶合金化元素(W、Mo等)可降低晶粒長(zhǎng)大的速度，V、Nb、Ti等元素與C和N元素具有極強(qiáng)的結(jié)合力，形成的碳化物和氮化物顆粒對(duì)晶界起釘扎作用，從而阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大[45]。

4 提高表面粗糙度并減少缺陷

表面粗糙度增大會(huì)縮短高壓氫氣容器的疲勞壽命[46]。對(duì)取自4130X鋼瓶不同部位的試樣在92 MPa氫氣環(huán)境中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果表明封頭試樣的相對(duì)斷面收縮率RRA(氫氣環(huán)境中的RA與惰性氣體環(huán)境中的RA之比)明顯低于筒體試樣的RRA，這說(shuō)明封頭部位在鋼瓶旋壓收口過(guò)程中產(chǎn)生了較多的皺褶，其表面粗糙度數(shù)值高于筒體部位的表面粗糙度，從而表現(xiàn)出更高的氫脆敏感性[47]。因此，在高壓氫氣容器的制造加工過(guò)程中應(yīng)盡可能提高內(nèi)表面的粗糙度。采用粗噴—細(xì)噴—精噴多道次噴砂工藝有利于改善容器內(nèi)表面的粗糙度。另外，可通過(guò)改進(jìn)管制瓶端部收口的熱旋壓工藝減少封頭部位的旋壓皺褶、折疊或裂紋[48]。內(nèi)噴砂完成之后，通過(guò)內(nèi)窺鏡或高清攝像頭對(duì)瓶端內(nèi)部進(jìn)行目視檢查。GB/T 33145—2016要求端部?jī)?nèi)表面不應(yīng)有肉眼可見(jiàn)的縮孔、皺褶、凸瘤和氧化皮。端部缺陷可使用機(jī)械加工方法清除[9]。

相對(duì)于表面粗糙而言，材料的表面缺陷在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度更為嚴(yán)重，因此表面缺陷在高壓氫環(huán)境中對(duì)氫脆的敏感性也更大[49-50]。EIGA對(duì)氫氣無(wú)縫鋼瓶的事故統(tǒng)計(jì)表明，70%的鋼瓶失效由內(nèi)表面的缺陷引起，其中50%的內(nèi)表面缺陷產(chǎn)生于制造過(guò)程，其余20%的內(nèi)表面缺陷產(chǎn)生于鋼瓶服役過(guò)程[7]。因此，在氫氣容器制造過(guò)程中，通過(guò)內(nèi)窺鏡或高清攝像頭對(duì)容器內(nèi)部進(jìn)行嚴(yán)格的目視檢查并附加100%的超聲檢測(cè)尤顯重要。容器標(biāo)準(zhǔn)中超聲檢測(cè)的驗(yàn)收指標(biāo)通常為回波幅度不能大于或等于深度為5%設(shè)計(jì)壁厚的人工缺陷的回波[9,23]。為了進(jìn)一步降低高壓氫氣容器對(duì)氫脆的敏感性，超聲檢測(cè)可根據(jù)ASTM A388—2016《鋼鍛件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)操作方法》[51]，按3%的公稱(chēng)壁厚確定人工刻槽的深度，提高驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。減小初始缺陷的尺寸，不僅可以減緩應(yīng)力集中的程度和降低應(yīng)力致氫富集峰高度[52]，而且還可延長(zhǎng)容器的疲勞循環(huán)壽命[53]。

5 抑制氫的吸附和滲透

5.1 氫氣純度

O2與Fe的親和力比H2大，因此O2在鋼表面的吸附能力比H2強(qiáng)。另外，O2的吸附是一種多層吸附，能在鋼表面形成氧化膜，阻止H2吸附到鋼表面[54]。對(duì)于AISI 4340鋼的研究表明，氫氣中加入體積分?jǐn)?shù)0.4%的O2就能抑制氫致開(kāi)裂過(guò)程[55]。在氣瓶用鉻鉬鋼的圓盤(pán)疲勞試驗(yàn)中，體積分?jǐn)?shù)3×10-6的O2就足以抑制氫的不利影響[56]。在氫氣中能起到類(lèi)似作用的氣體還有SO2、CO、CS2等在鋼表面吸附能力強(qiáng)的氣體[57-58]。因此，如果工藝條件允許，可以考慮在氫氣中加入微量的O2、SO2、CO、CS2等氣體，以抑制氫的活性及在鋼表面的吸附。

H2S在氫氣中的作用正好相反，它能加速鋼對(duì)氫的吸附及HIC擴(kuò)展[59]。H2S對(duì)鋼的作用類(lèi)似于陽(yáng)極溶解，它破壞了鋼表面的鈍化層(例如氧化膜)，并且能抑制氫原子在去鈍化表面上的結(jié)合反應(yīng)，因而使大部分氫原子進(jìn)入金屬內(nèi)部[60]。因此，應(yīng)避免氫氣系統(tǒng)中混入H2S。

5.2 噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化能在鋼表面形成壓應(yīng)力層。Esquivel和Evans利用X光衍射法測(cè)得噴丸強(qiáng)化可在AISI4130鋼表面產(chǎn)生0.35 mm深的殘余壓應(yīng)力層[61]。壓應(yīng)力使氫的化學(xué)位提高[62]，而鋼表面吸附氫的化學(xué)位不隨應(yīng)力發(fā)生變化，從而使表面吸附氫向壓應(yīng)力層內(nèi)部擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力降低，所以殘余壓應(yīng)力層的存在可減少氫的滲入量[63-64]。噴丸強(qiáng)化還可以改變鋼形變層的組織結(jié)構(gòu)，使位錯(cuò)密度降低[65]。當(dāng)有應(yīng)力存在并發(fā)生形變時(shí)，氫在鋼中的遷移以通過(guò)Cottrell氣團(tuán)和位錯(cuò)的輸送為主[66]。因此，位錯(cuò)密度降低可使氫的擴(kuò)散性降低。同時(shí)，位錯(cuò)也是氫陷阱，低位錯(cuò)密度還可以降低氫在鋼中的溶解度[62]。另外，噴丸強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)還能削弱缺口處拉應(yīng)力引起的應(yīng)力集中，從而降低HIC產(chǎn)生的幾率，顯著提高鋼的抗氫脆性能[67]。然而，疲勞循環(huán)會(huì)使噴丸強(qiáng)化所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生松弛[61]。因此，對(duì)氫氣容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，有必要再次進(jìn)行內(nèi)表面噴砂和噴丸強(qiáng)化處理。

5.3 表面涂層

通過(guò)化學(xué)、電化學(xué)或冶金的方法在鋼表面施加涂層，形成阻止或減緩氫向基體內(nèi)滲透的表面障礙。通常鋁基(或氧化鋁基)涂層[68]、鈦基涂層[69]、錫基涂層[70]、鋅基(或鋅-鎳合金、鋅-鉻合金)涂層[71-73]都可以降低氫在涂層表面的吸附量及向鋼內(nèi)部的滲入量。另?yè)?jù)報(bào)道，在AISI 4140鋼表面電鍍銅涂層可使氫的滲透性降低80%[74]，在AISI 4340鋼表面電鍍厚度為1～2 μm的鉍涂層可使氫的滲透性降低65%[75]。但是，必須注意到，電鍍本身是一個(gè)充氫的過(guò)程，電鍍后鋼內(nèi)部的含氫量會(huì)升高[54]，尤其是鍍鎘或鍍鋅-鎘合金之后高強(qiáng)鋼的氫脆敏感性明顯升高[76]。電鍍時(shí)可以采用較高的電流密度(60～80 mA/cm2)，獲得較疏松的鍍層，有利于氫逸出，或者在鍍液中加入硝酸鹽及電鍍后進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間烘烤可避免電鍍后的氫致延遲開(kāi)裂[77]。

6 結(jié)語(yǔ)

制訂預(yù)防HSLA鋼氫脆的措施可以從以下方面入手：①優(yōu)先選用鉻鉬鋼和鉻鎳鉬鋼，盡量避免使用碳錳鋼。利用Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素進(jìn)行微合金化，使其在鋼中形成微細(xì)碳化物有利于降低HSLA鋼的氫脆敏感性。適當(dāng)降低鋼中Al、Si、Mn等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，嚴(yán)格限制S、P元素等雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高鋼的純凈度。②控制材料熱處理之后的抗拉強(qiáng)度上限，并提高材料的塑性和韌性。③通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝和參數(shù)獲得理想的組織，如回火索氏體和珠光體，避免未回火的馬氏體和回火屈氏體，消除Mn、S、P等元素偏析造成的帶狀組織。通過(guò)晶粒細(xì)化工藝提高HSLA鋼的抗氫脆性能。④通過(guò)改善冷、熱加工工藝提高材料和產(chǎn)品的表面粗糙度，減少制造缺陷，通過(guò)嚴(yán)格的檢驗(yàn)提高缺陷的檢出率，并以適當(dāng)?shù)姆绞较砻嫒毕荨＂菰诠に嚄l件允許的情況下可考慮在氫氣中加入微量的O2、SO2、CO、CS2，以抑制氫的活性及在鋼表面的吸附，并應(yīng)避免H2S混入氫氣系統(tǒng)中。⑥噴丸強(qiáng)化能在鋼表面形成壓應(yīng)力層，降低鋼形變層的位錯(cuò)密度，削弱缺口處拉應(yīng)力引起的應(yīng)力集中，從而提高鋼的抗氫脆性能。⑦在鋼表面施加涂層可阻止或減緩氫向基體內(nèi)的滲透，但應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)耐繉邮┘臃椒ê凸に噮?shù)，降低施加涂層過(guò)程中氫的滲入量，或通過(guò)烘烤的方法使?jié)B入的氫逸出。

影響鋼氫脆敏感性的內(nèi)外因素眾多，應(yīng)結(jié)合具體的鋼種和實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合制訂預(yù)防HSLA鋼氫脆的措施，并按照氫適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[32,78]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)HSLA鋼氫脆的基礎(chǔ)研究還不夠深入和系統(tǒng)，缺乏配套的氫適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。今后可參照國(guó)外已有的研究成果，加強(qiáng)對(duì)HSLA鋼氫脆的基礎(chǔ)研究，利用微合金化技術(shù)和晶粒細(xì)化技術(shù)開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良抗氫脆性能的新鋼種，制訂相應(yīng)的材料氫適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為推動(dòng)高壓氫氣系統(tǒng)的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障和規(guī)范指引。