氫含量對300M超高強度鋼應力腐蝕的影響

伍助喜，田文明

（1.江西昌河航空工業有限公司，江西 景德鎮 333000；2.北華航天工業學院，河北 廊坊 065000）

300M鋼是一種由美國最先發展起來的低碳、低合金含量鎳鉻鉬超高強度鋼，兼具超高強度和高韌性等優秀的機械性能，被廣泛用于制造飛機特別是大型飛機的起落架[1,2]。起落架在實際服役過程中，面臨著較為復雜的介質環境，氫不可避免地會滲入起落架內部，引起氫致應力腐蝕斷裂，這成為影響300M鋼安全使用的重要因素[1]。本研究采用恒載荷拉伸應力腐蝕試驗，測試了氫含量對300M超高強度鋼應力腐蝕特性的影響作用。

1 合金的制備

1.1 實驗材料

試驗用300M超高強度鋼的化學成分按質量百分比（wt.%）為：C 0.4，Mn 0.64，Si 1.66，Cr 0.71，Ni 1.9，Mo 0.37，V 0.09。該材料熱處理制度為：隨爐加熱至870℃保溫1h進行固溶處理，淬火油冷，然后隨爐加熱至300℃保溫2h進行中溫回火，空冷，回火處理進行兩次。

1.2 實驗方法

實驗用300M鋼通過線切割加工成如圖1所示的拉伸試樣。試驗前先對試樣進行除銹、去污處理，然后用1000#砂紙打磨去除金屬表面缺陷，再用無水乙醇反復擦洗，最后用去離子水清洗并吹干待用。

圖1 300M鋼恒載荷拉伸試樣的形狀尺寸

電解充氫的電解液為0.1mol/LNaOH溶液，充氫電流大小為0.2A/cm2[3]，電解充氫時，試樣作為陰極，鉑片作為陽極。為研究氫含量對試樣應力腐蝕行為的影響，充氫時長分別為24h，48h，72h和96h，時間越長，300M鋼內部氫含量越高。

分別對如圖1所示的充氫和不充氫試樣進行恒載荷拉伸應力腐蝕試驗。試驗在拉伸試驗機上進行，載荷為試樣抗拉強度的75%，拉伸段浸沒于5%NaCl溶液中，設備自動記錄試樣斷裂時間。斷裂后取出試樣，采用去離子水及無水乙醇依次清洗表面腐蝕產物并吹干，計算斷后延伸率，然后將斷口區域切下進行掃描電鏡（SEM）觀察。

2 實驗結果與分析

2.1 恒載荷拉伸應力腐蝕結果

恒載荷拉伸實驗結果如圖2所示，不同充氫時間試樣在5%NaCl溶液中發生應力腐蝕開裂的時間不一樣，隨著充氫時間的延長，300M鋼試樣內部氫含量隨之升高，而試樣發生斷裂的時間隨之縮短，充氫時間為96h的試樣斷裂時間僅為3.1min，明顯小于充氫24h試樣的9.90min，此外，未充氫試樣在5%NaCl溶液中的拉斷時間為820min，這表明300M對組織內部的氫含量非常敏感，氫脆敏感性很大。隨材料內部氫含量的增加，試樣發生應力腐蝕開裂所需的時間明顯縮短，應力腐蝕敏感性及裂紋萌生拓展速度隨氫含量的增加而顯著增大，工程應用中應避免氫的引入，并對300M鋼進行充分的除氫處理。

圖2 300M鋼試樣恒載荷拉伸斷裂時間與充氫時間的關系

氫對300M鋼的影響主要表現在降低材料塑性，試驗中常以斷后延伸率來衡量材料的氫脆敏感性[4-6]，如公式（1）所示,式中：δ為試樣的延伸率，L1為試樣的原始長度，L2為試樣斷裂后的總長度。

不同充氫時間的試樣的斷后延伸率如圖3所示。充氫時間對材料塑韌性的影響非常明顯，拉伸試樣的斷后延伸率隨著充氫時間的增加而明顯降低，且降低的幅度也逐漸變大，表明300M鋼的氫脆敏感性隨氫含量的增加是加速累積的。氫原子通過鋼的晶界或微觀缺陷擴散到鋼的內部使晶界弱化，并且在應力的協同作用下，向應力集中區遷移富集[3-6]，從而引起鋼的氫脆破壞。

圖3 300M鋼試樣斷后延伸率與充氫時間的關系

2.2 斷口形貌觀察

圖4為不同充氫時間的試樣恒載荷拉斷后的宏觀形貌。未充氫試樣斷口較平齊，而充氫試樣斷口不平整，有明顯的起伏，說明充氫試樣內部存在應力集中區，易產生局部開裂導致整體提前斷裂。針對超高強度鋼，氫致白點往往成為引發氫脆斷裂的主要誘因[3]。

圖4 300M鋼恒載荷拉伸試樣斷裂宏觀形貌，（a）未充氫，（b）充氫72h

圖5為不同充氫時間的恒載荷拉伸試樣的斷口SEM圖，充氫試樣斷口表面分布著較為明顯的微裂紋，且隨充氫時間的增加，裂紋特征愈發明顯。如圖5c所示，在充氫24h后，斷口中仍能觀察到正常的韌窩組織；而在充氫達到72h時（如圖5d所示），試樣的斷裂方式為明顯的沿晶脆性斷裂，表明300M鋼隨其內部氫含量的增加，韌性顯著降低，脆性劇增，氫的存在極大威脅了300M鋼的正常使用。

圖5 不同充氫時間試樣拉伸斷口的SEM形貌，（a）充氫24h低倍，（b）充氫72h低倍，（c）充氫24h高倍，（d）充氫72h高倍

3 結論

（1）300M鋼氫致應力腐蝕敏感性極高，使用中要進行徹底的除氫處理。

（2）300M鋼斷裂時間隨著氫含量的增加而縮短，材料斷后延伸率隨充氫時間的增加而顯著降低。

（3）隨鋼內氫含量的增加，300M鋼脆性增加，導致斷裂模式由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。