铁铬铝合金的氢致脆性

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.01.007 北京钢铁学院学报 1982年第4期 铁铬铝合金的氢致脆性 北京钢铁学院杜国维柯俊 北京钢丝厂囊德生胡纯玉 摘 要 研究了铁铬铝热轧淬水盘条在200℃恒温处理过程中力学性能的变化，以及氢 含量，碳化物对合金塑性的影响。结果表明：合金中含氢使盘条变脆，当盘条中 氢含量大于1PPm时，随氢含量增加盘条的塑性急剧下降，当盘条中氢含量大于 2PPm时，在拉伸时导致脆断。电子金相断口表明：合金的氢脆断口一般为准解理 断裂，随合金中氢含量下降，塑性提高的同时，断口由准解理向韧窝型断裂过渡。 试验指出：为提高合金的塑性，合金中碳含量应控制在下限，同时，在治金生 产中，更应注意为消除合金的氢脆而应采取必要的措施。 一、前言 铁铬铝高电阻电热合金在生产中以及在使用掘绕过程中出现的脆断问题，长期未能解 决。冶金生产中，以热轧淬水盘条问题最为突出，表现在拉伸试验时延伸率（ǒ）及断面收 缩率（中）数值过低。因此，阐明盘条变脆的原因，对提高合金的成材率及产品质量是重要 的，同时也为提高合金的冶金质量指出方向。 为提高铁铬铝合金的抗氧化性及使用寿命，在合金中通常加入了微量稀土元素或混合稀 土。一种生产方法是采用三相有衬电渣炉熔炼合金并在单相电渣炉中进行重熔，为避免钢锭 开裂，钢锭不经冷却直接在高温保温，进行锻造开坯以及轧制，热轧后的盘条通常在800℃左 右淬水冷却。对当前生产中32批铁铬铝合金(OC25AI5)的力学性能进行统计分析表明： 未经高温退火的热轧淬水盘条其抗张强度变化不大，σ。在80~90公斤/厘米2范围内波动， 表1 32批合金热轧淬水盘条的延伸率 延伸率8 (%) 1-3 3-5 5-7 7-9 9-11 11-13 13-15 >15 出现次数 5 3 5 3 5 0 占有百分比(%) 16 16 9 16 12 22 0 “本文在1982年5月全国第一届应力府蚀与氢脆会议上宜读过。 5级

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 铁铬铝合金的氢致脆性 北京钢铁学院 杜 国维 柯 俊 北 京 钢 丝 厂 衰德 生 胡纯 玉 摘 要 研 究 了铁格铝 热轧淬水 盘 条在 。 ℃ 恒温 处理过 程 中力学性 能 的变化 ， 以及 氮 含 ， 破化 物对合金 塑性的影响 。 结果表 明 合 金 中含氢使 盘条 变脆 ， 当盘条 中 氢含 大于 时 ， 随氮含量 增加 盘条 的塑性急剧 下 降 ， 当盘 条中氮含 大于 时 ， 在 拉伸时导 致脆 断 。 电子金 相 断 口 表 明 合金 的氢脆 断 口 一 般为 准解理 断裂 ， 随合金 中氮含量 下 降 ， 塑性提 高的 同时 ， 断 口 由准解理 向韧窝型断 裂过 渡 。 试 验 指出 为提 高合金 的塑性 ， 合金 中碳含 量 应 控制在 下 限， 同 时 ， 在冶金 生 产 中 ， 更应注 意为消除合 金 的氢脆 而 应采 取必 要 的措施 。 一 、 前告口 铁铬铝高 电阻 电热 合金 在生产中以 及在 使用握绕过程中 出现的脆 断问题 ， 长 期未能解 决 。 冶金生产中 ， 以热 轧淬水盘条问题最为突出 ， 表现在拉伸试 验 时延伸率 的 及断面 收 缩率 币 数值过低 。 因此 ， 阐 明盘 条变脆 的原 因 ， 对提 高合金 的成材率 及产品质量是 重 要 的 ， 同时 也为提高合金 的冶金质量 指 出方 向 。 为提高铁铬铝合金 的 抗氧 化性及使 用寿 命 ， 在 合金 中通 常加入 了微量稀土元 素或混 合稀 土 。 一种生产方法是 采 用三 相有衬患渣炉熔炼合金 并在单相 电渣炉 中进 行 重熔 ， 为避免钢 锭 开裂 ， 钢锭不经冷却直接在高温保温 ， 进行锻造开坯 以 及轧制 ， 热轧后 的盘条通 常在 。 ℃左 右淬水冷却 。 对当前生 产 中 批铁铬铝 合金 的力学性能进 行统计分 析表 明 未经 高温退火的热轧 淬水盘 条其抗 张强度 变化不大 ， 口 。 在 一 公斤 厘米 艺 范围内波动 ， 表 批合金热 轧淬水盘 条的延伸率 延 伸 率 乙 一丁 卜 一 万 一 一而 一 ‘不 丁五 一 卜几 一 了万 二翌终竺 丁一… … …一州兰 一 占有 白 分 比 ‘ 肠 ， ‘ ” ‘ ” ‘ ‘ …一 “州二” 本文在 年 月全 国第一 届 应 力腐蚀 与氢脆 会 议 上 宜读过 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．04．007

但ǒ却分布在很大的范围内（表1），大多数合金塑性很低（表2），其拉伸断口齐平，为 脆性断裂。产生这一现象的原因可能是多方面的，例如KOPHIJIOB曾强调治金中碳含量 偏高，由于碳化物影响而使合金变脆！，也可能来自其它原因，例如，合金中氮含量偏高 而引起合金的变脆，氢脆，有害元素沿晶界吸附，夹杂物的影响，晶粒大小不均匀以及内应 力产生的微裂纹等等。 表2 32批合金热轧淬水盘条的断面收缩率 断 面 收缩 率 (%) 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 >50 出现次数 8 11 6 6 1 0 占有百分比% 25 34 19 19 3 0 为控制产品质量及保证合金一定的塑性，在我国对铁铬铝合金中有害元素碳、硅、碑及 硫等元素含量在成份控制上规定了上限【2】。氢是导致铁素体脆性的重要因素之一，因此工 艺要求对原料进行足够的烘烤： 1.稀土元素是强烈的吸氢剂，在室温下可以吸收大量的氢，并在高温下放出1]，若 稀士合金未经严格烘烤脱氢，这些氢将在怡炼时随同稀土元素而进入合金中， 2.稀土铁铬铝合金有时在铸锭时钢水上涨严重，而且铸锭组织疏松，说明熔体中气体 含量较多， 3.一旦合金中含有更多的氢，上述生产工艺不利于合金脱氢， 4.热轧后水淬，会形成氢过饱和的合金， 5.氢在钢中引起所谓“氢脆”，并且随钢中氢含量的增加钢的塑性（特别是断面收缩 率)急剧下降「1， 6.铁铬铝热轧淬水盘条在经历高温850℃退火后，一般8可达20%，中可达70%，退火 对合金的晶粒度改变有限，虽然合金中内应力得到消除，但不足以说明其力学性能的改善。 为了探讨氢脆对盘条的影响，对8毫米直径的热轧淬水盘条采用200℃低温处理，研究 力学性能随保温时间的变化。同时测定盘条中氢含量，在此基础上对拉伸断口在扫描电镜下 进行研究，通过实验找出合金中氢含量与合金的8，中之间关系，以及氢含量大小与断裂特 征之间对应关系，并对合金进行了充氢对比试验。 二、实验过程 在生产中，从同一炉号的合金棒中，选取组织疏松的料头焊接起来作为提纯电极，在液 体渣下按一般生产工艺进行甄熔提纯，待钢锭凝固后立即脱锭送入加热炉中加热保温后，进 表3 试验用稀土铁铬铝合金的成份(%) C s Si P Cr Al Re 备注 中8的盘条 0.03 0.004 0.35 0.014 24.20 5.20 0.027 中6.3盘条 0.035 0.002 0.36 0.016 24.60 5.44 0.030 充氢试验用 59

但 各却分布在 很大的范围内 表 ， 大多数合金塑性很低 表 ， 其拉伸断 口 齐平 ， 为 脆 性断裂 。 产生这一现象的原 因可能是 多方面 的 ， 例如 几 曾强调 治金 中碳 含 偏高 ， 由于 碳 化物影 响而使合 金变脆 川 ， 也可能来 自其它原 因 ， 例如 ， 合 金 中氮含 偏高 而引起合金 的变脆 ， 氢脆 ， 有 害元 素沿 晶 界吸 附 ， 夹 杂物的影响 ， 晶粒大小不 均匀 以 及 内应 力产生的微裂纹 等等 。 表 批合 金热 轧淬水盘条的断面收缩率 断 面 收 缩 率 劝 ” 一‘ ” 。一。 。 一 。 。 、 。 。币。 。 里一 一 一兰 、 ‘ ， ， 。 一 一一引… 出现次数 占有百分 比 为控制 产 品质量 及 保证 合 金一定的 塑性 ， 在 我 国对铁铬铝合金 中有 害元 素碳 、 硅 、 磷及 硫等元 素 含量 在成份 控 制 上规 定 了上 限 〔 ’ 。 氢是 导致 铁素体脆性 的重要 因素之一 ， 因此工 艺要求对原料进行足够 的烘烤 稀土 元 素是 强烈 的吸氢剂 ， 在 室温下可 以吸 收大最 的 氢 ， 并在高温下放出 ，， 若 稀土合 金未 经严 格烘 烤脱氢 ， 这些氢将在 冶炼时 随 同稀土 元 素而进入 合 金 中， 稀土 铁铬铝合 金有时在铸锭时钢水 七涨严 重 ， 而且铸锭组织疏松 ， 说 明熔体 中气体 含 较 多， 一旦合金 中含有更多的 氢 ， 上述生产工 艺不 利于 合金脱氢， 热 轧后 水淬 ， 会形成氢过饱 和 的 合 金， 氢在 钢 中引起所 谓 “ 氢脆 ” ， 并且 随钢 中氢含盘 的增加钢 的塑性 特 别是断面 收缩 率 急剧 下降 ， 铁铬铝热 轧 淬水盘条在 经历高温 ℃退火后 ， 一 般 乙可达 ， 中可达 ， 退火 对合 金 的 晶粒度改 变有 限 ， 虽然 合 金 中内应 力得到 消除 ， 但不 足 以说 明其力学性能的改替 。 为 了探讨 氢脆 对盘 条的影 响 ， 对 毫米直径 的热 轧淬水盘条采用 ℃低温处理 ， 研究 力学性能随 保温时 间的变化 。 同时 测定盘条中氢含量 ， 在此 基础 上对拉伸断 口 在 扫描 电镜下 进行研究 ， 通过 实验找 出合 金 中氢 含量 与合 金 的 乙 ， 冲之 间关系 ， 以及氢 含最大小与断裂特 征之 间对应 关 系 ， 并对合金进行 了充氢对 比试 验 。 二 、 实验过 程 在 生产 中 ， 从 同一 炉号 的 合 金棒 中 ， 选 取组织疏松 的料头焊接起来作为提纯 电极 ， 在液 体渣 下按一 般生 产工 艺进行 重 熔提纯 ， 待 钢锭凝 固后立即脱锭送 入 加热 炉 中加热 保温后 ， 进 表 试 验用 稀土 铁 铬铝 合 金的成份 － 一 ’ · … 备 注 ’ 。 的盘条 。 。 。 。 。 ‘ · 。 · ” · ， 一 矶而瓦索 一 石石‘歹 一 压丽 一 一 瓦丽 一 万一而石〕飞压丁了不了 一 。 。 充。 试验 雨 ’

进锻造轧制。在淬水盘条上截取试样后，迅速进行200℃低温处理以及拉伸试验，拉伸用8 毫米直径的盘条，其化学成份见表3。 拉伸试验按线材测试标准进行，测量标距为80毫米，在V=2毫米/分缓慢速度下拉伸， 其变形率e=3×10~·/秒。 凡进行充氢后拉伸试验的样品，均系采用6.3毫米直径的棒状试样，其化学成份也列在 表3巾。充氢前试样必须充分脱氢并进行退火。为获得良好表面，对样品进行电解抛光。电 解抛光规范：电解液为高氯酸冰醋酸溶液(10：90)，电流密度i=0.2-0.5安/厘米2，抛光 前对样品表面用砂纸打光，抛光时间每次45-60秒，通常抛光一次后用细砂纸打磨表面再电 解抛光，以获得光洁的表面。 阴极充氢在1 N H2 SO,水溶液中进行，每升电解液中加入10mg的AS,O,作为毒化剂， 电流密度i=10毫安/厘米2，充氢后的样品迅速进行拉伸试验。 测氢在美Lco公司RH-IE测氢仪中进行。测试前通常以含氢不锈钢标样对仪器进行校 准，仪器系统误差为±5%，在盘条上截取拉伸样的同时截取测氢样，并放置在干冰中低温保 存，以尽量减少氢的逸出。测氢样由砂轮切片机快速切成中8×6毫米的棒状试样，在无水乙 醇及乙醚中清洗脱水，吹干后进行称重放入测氢仪中定氢。 拉伸断口在Combridge S-600型扫描电子显镜下进行观察，断口照片均按实际放大 倍数缩小0.5倍进行拍照。 三、试验结果 1.热轧盘条淬水后在200℃恒温处理过程中力学性能的变化 热轧盘条淬水后在200℃保温不同时间进行拉伸试验，其σ、8及ψ数值大小变化规律如 图1所示。在恒温处理过程中，σ，的改变很小，但经历240分处理，8可由原始的3%提高到 17%,中数值由初始的5%提高到70%，合金的塑性得到大幅度提高。从图1中还可以看到， 在8、中的连续变化过程中，以最初的120分内变化最为明显，而以后增长缓慢。 2.热轧盘条淬水在200℃恒温处理过程中氨含量的变化 在200℃恒温处理过程中，随合金塑性的提高，盘条中氢含量相应降低。从图1中可以 看出，在历经240分保温过程中，盘条中氢含量从原始2.11ppm下降到0.88ppm。因此， 在200℃保温过程中对热轧淬水盘条是一脱氢过程。在最初120分内氢含量下降最为明显，以 后变化甚微，在δ及中数值急剧提高的同时，对应着盘条中氢含量急剧下降。 上述数据是在同一炉号二个钢锭中不同盘条上四次取样测试数值的平均值，因而它具有 一定的代表性。 3.碳化物析出对合金力学性能的影响 考虑盘条在淬入水中激冷，在合金中将有部分碳化物溶于α相中[5]，当合金随后在200℃ 进行保温时，弥散碳化物的析出可能使合金的塑性下降。为此，将盘条冷拔至3毫米直径线 材，其间经过多次高温退火后，氢脆的影响已片本.上消除，再经880℃保温激冷淬火及200℃ 低温时效，观察碳化物析出对力学性能的影响，其结果如图2所示，时效过程对合金σ无 影响，对8及中分别下降约16%及11%。 4.断口类型 热轧淬水盘条其显微断口呈脆性准解理断口，如图3-1所示。当盘条经历220℃保温240 60

进锻造轧制 。 在淬水盘条上截取试样后 ， 迅速进行 ℃低温处理 以 及 拉伸试验 ， 拉伸用 毫米直径 的盘条 ， 其 化学成份见表 。 拉伸试 验按线材测试标 准进行 ， 测量标 距为 毫米 ， 在 毫米 分 缓 慢速度下拉伸 ， 其变形率诬 一 ‘ 秒 。 凡进 行充氢后 拉伸试 验 的样品 ， 均系采 用 毫米直径 的棒状试 样 ， 其化学成份 也列在 表 中 。 充 氢前试 样 必须 充分脱氢并进行退 火 。 为获得 良好表面 ， 对样品进行 电解抛 光 。 电 解抛 光规 范 电解液为高氯 酸冰醋酸溶 液 ， 电流 密度 二 一 安 厘米 名 ， 抛 光 前对样品表面用砂纸打光 ， 抛 光 时间每次 一 秒 ， 通 常抛光一 次后 用 细砂 纸打磨表面再 电 解抛光 ， 以 获得光洁 的表面 。 阴极充氢在 ‘ 水溶液 中进行 ， 每升 电解液 中加入 的 作为毒 化剂 ， 电流 密度 毫安 厘米 ’ ， 充氢后 的 样 品 迅 速进行 拉伸试 验 。 ‘ 测 氢在 美 。 。 公 司 一 测氢仪 中进行 。 测试 前通常以 含氢不 锈钢标样对仪器进行校 准 ， 仪器系 统误 差为 士 ， 在盘条上截取 拉伸样的 同时截取 测 氢样 ， 并放置在 干冰 中低温保 存 ， 以尽里减少氢的逸 出 。 测 氢样由砂轮切片机快速切成 小 毫米的棒状试样 ， 在无水 乙 醇 及 乙醚中清洗脱水 ， 吹干后 进行称重放入 测 氢仪 中定 氢 。 拉伸断 口 在 一日 型扫描 电子 显镜下进行 观 察 ， 断 口 照片均按实际放大 倍数缩小。 倍进行拍照 。 三 、 试验结 果 热轧盘条淬水后在 ℃ 恒沮处理 过程 中力 学性能的变化 热轧盘 条淬水后在 ℃保温 不 同时间进行拉伸试 验 ， 其 。 。 、 各及 冲数值大小变化规律如 图 所示 。 在 恒温处理过程 中 ， 。 的改变很小 ， 但 经历 分处理 ， 乙可 由原始 的 提高到 ， 冲数值 由初始的 提高到 ， 合 金 的塑性得 到大幅度提高 。 从 图 中还可 以看到 ， 在 乙 、 冲的连 续变化过程 中 ， 以最 初 的 分 内变 化最为 明显 ， 而 以后 增 长缓慢 。 热轧盘条淬水在 ℃恒沮处理过 程 中氢含 的变化 在 ℃恒温处理过程 中 ， 随合 金塑性 的提高 ， 盘条 中氢 含量 相应 降低 。 从 图 中可以 看出 ， 在历经 分保 温过程 中 ， 盘条 中氢 含量 从原始 下 降到 。 因此 ， 在 ℃保温过程 中对热轧淬水盘条是 脱氢过程 。 在最 初 分 内氢 含量 下降最为明显 ， 以 后变化甚微 ， 在 各及 冲数值急剧 提 高的 同时 ， 对应 着盘 条 中氢 含量 急剧 下 降 。 上述数据是在 同一炉号二个钢锭 中不 同盘 条 上四次取样测试数 值 的平 均值 ， 因而它具有 一定的代表性 。 暇化钧析 出对合金 力 学性 能的影 晌 考虑盘条在 淬入 水 中激冷 ， 在合 金 中将有部分碳 化物 溶于 相 中 〔“ ， 当合金 随后 在 ℃ 进行保温时 ， 弥散碳 化物 的 析出可能使 合 金 的塑性下 降 。 为 此 ， 将盘 条冷拔 至 毫米直径线 材 ， 其间经过多次 高温退 火后 ， 氢脆 的影 响 已 块 本 七消除 ， 再 经 ℃保 温激 冷淬火及 ℃ 低温时效 ， 观察碳 化物析出对力学 性能 的影 响 ， 其 结果 如 图 所示 ， 时效 过程对合金 、 无 影 响 ， 对 乙及 冲分 别 下降约 及 。 断 口 类型 热 轧淬水盘条其显微断 口 呈脆性准解理断 口 ， 如 图 一 所示 。 当盘条经历 ℃保温

分后，如前所述合金的塑桃明显增加并达到峰值，拉伸时试样出现明显的缩颈，断口在扫描 电镜下呈等轴韧窝型，如图3-10所示。图3一1至图3-10给出在保温过程中盆尔断裂方式变更 的详细过程。可以看出随保温时间的延长，在断口上塑性变形区也逐渐增多，大约在保温70 分钟时，断口中心部位及靠近边缘地带已开始出现局部的韧窝带，保温90分时断口中大面积 还是呈现准解理图象，保温120分时，断口将以韧窝型为主（图3-8），尔经历200℃180分 处理后其拉伸断口已全部转变为韧窝型（图3-9）。 几乎在所有准解理断口上，均存在有二次裂纹，它们是与主裂纹坐一定夹角的裂仪。实 18 100 14 90 3 12 90 10 2 70 60 0 0 120180 240 时问，分 图1-1在200℃保温过程中抗张 4080120160200240280 强度（σ。）的变化 时问，分 图1-2在200℃保温过程中延伸 率(8)及氢含量的变化 90 80 100 60 90 50 2 0元) 80 40 70 30 60 50 0 60 120180 240 时间，分 40 80120160200240 时间，分 图1-3在200℃保温过程中所面收 图-1时效过程中。。的变化 缩率()及氢含量的变化 图1 铁铬铝热轧淬水盘条在200℃ 恒温处理过程中，力学性能与 氢含量的变化 61

分 后 ， 如前所 述 合金 的 塑性 明显增 加 并 达到峰 值 ， 拉伸时试 样 出现 明显 的缩颈 ， 断 口 在扫 描 电镜 下呈等轴韧 窝型 ， 如图 一 所 示 。 图 一 至 图 一 给 出在 保 温过程 中盘 条断 裂方式 变 更 的详细过程 。 可 以 看 出随保 温 时 间 的延 长 ， 在 断 口 上塑性 变形 区 也逐 渐增 多 大 约在 保 温 分 钟时 ， 断 口 中心 部位 及靠 近边缘地带 已开 始出现局 部 的韧 窝带 ， 保温 。 分时断 〔 一 扣大 而 积 还是 呈 现准解 理 图 象 ， 保 温 分 时 ， 断 口 将 以 韧 窝型 为主 图 一 ， 盘 条经历 ℃ 分 处理后 其拉伸断 口 已全部转 变为 韧 窝型 图 一 。 几乎在所 有准解 理断 口 上 ， 均存在 有二 次裂 纹 ， 它 们是 与主裂 纹 呈一 定 夹 角 的裂纹 。 ’ 关 山医丘 夕， 二 「 口 一 次 口沪， 尸产声一口口 口一 厂 一 、 产、 、 、 、 、 卜 口 ，「 〕 尸 翻日 时 间 ， 分 图 一 在 ℃ 保 温 过 程 中抗 张 强 彦 、 的 变化 产 产 曰 夕 产一 咬 产了 、 吸 必 广 、 、 一 丫 ， 时问 ， 分 图 一 在 ℃保 温 过 程 中延 伸 率 及 氮含 量 的 变化 甲 二竺二竺 ， ， 勺 ， 佘盆﹄三叻 氏巴一 次身 时 问 ， 分 时 间 ， 分 图 一 在 ℃ 保温 过 程 中断面 收 缩率 哮 及 氢含量 的变化 图 铁 铬铝 热 轧浮水盘条在 ℃ 恒温 处 理 过 程 中 ， 力 学性 能与 氢含 量 的变 化 图冬 时效过 程 中 。 的 变化

90 20 19 70 浮 18 17 50 16 400 0 60 120180 240 120180 240 时间，分 图2-2 时效过程中8的变化 图2-3时效过程中中的变化 图2铁铭铝合金经880℃淬火，在200℃时效过程中力学性的交化 图3-1热轧淬水盘条电子金相所口 图3-？盘条经200℃保温30分的拉伸断 (距断口中心一半处)1000× 口（距断口中心一半处）1000× :“-:盘条经200℃保温50分的拉伸 倒台-！盘条经200℃保温70分的拉 所口（距渐口中心附逆）1000× 伸断口（图口中心附近）1000× 图3-5试样同3-4（距断口中心一半 图8-6试样同3-4（断口边缘附近） 处)1000× 1000× 62

、 弓二 ‘ 、 、 、 、 、 一 ，、 、 、 下二二二二 洲 、 习卜一 ，‘，， ， 口 匕 图 一 时效过 程 中乙的变化 图 铁 铬铝 合 金 经 ℃ 淬火 ， 时 间 ， 分 图 一 时效过 程 中冲的变化 在 ℃ 时效过 程 中力学性 的交化 图 一 热轧淬水 盘 条 电 子金 相 断 口 距 断 口 中心 一 半 处 图 一 盘 条经 ℃ 保温 分 的拉 伸断 口 距 断 口 中心 一 半处 丫一 二 盘 条经 ℃ 传 温 分 的拉 伸 自云口 距 听 口 中心 附近 火 碑 一 盘 条经 ℃ 保温 分 的拉 伸 断 口 ‘ 断 口 中心 附近 图 一 试 样 同 一 距 断 口 中心 一 半 处 图 一 试样 同 一 断 口 边 缘 附近