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嘉峪檢測網 2025-04-15 15:40
高壓電器產品運行的可靠性對電網的供電穩定性至關重要，其零部件的氫脆斷裂現象具有無征兆性、延時破壞性、無預判性等特點，對工程產品的危害極大。
關于氫脆機制的研究較多，包括氫致弱鍵理論、吸附誘導位錯發射機制、氫化物理論、氫增強局部塑性理論和氫壓理論等。目前，廣泛認為氫脆是應力、應變和氫擴散濃度共同作用的結果，在原材料的加工冶煉過程和零件的制造過程( 如電鍍、磷化、發黑、焊接等) 中，氫原子進入材料內部，在內部殘
余應力和外部施加應力的作用下，氫原子向組織中的微孔、位錯或相界處擴散富集，當材料中的氫達到一定含量時，內部裂紋會迅速擴展，最終導致材料發生氫脆斷裂。
進入金屬材料中的氫分為可逆氫和不可逆氫。可逆氫是指進入金屬中的氫原子富集在晶格缺陷處（如空位、位錯、相界、夾雜等）。氫原子的半徑和體積小、質量輕，可通過加熱升溫的方式去除，以達到消除氫脆的目的。常見的表面處理中，如電鍍、酸洗過程中進入金屬的氫原子就屬于該種類型。不可逆氫是指進入金屬中的氫原子在夾雜物界面復合形成氫分子，或與鋼中的碳元素發生甲烷化反應，生成新的化合物，這些氫會重新聚集鼓泡，氫鼓泡為不可逆，無法通過加熱的方式去除。關于消除氫脆現象的研究較多，但多數集中在去氫工藝，對去氫后的效果，如氫含量變化等的研究較少。
研究人員對金屬材料進行發黑和磷化表面處理，然后采用不同的去氫工藝處理材料，對材料去氫后的各項性能進行分析，結果可為金屬材料中可逆氫的去除工藝提供參考。
1.試樣制備與試驗方法
1.1 試樣制備
試驗材料為42CrMo合金鋼，熱處理方式為淬火回火，硬度為353~381HB。拉伸試樣的結構如圖1所示。沖擊試樣的尺寸（長度× 寬度× 高度）為10mm ×10mm ×55mm，U型缺口，深度為2mm，底部曲率半徑為1mm。圓柱形試樣的直徑為20mm，高度為20mm。
1.2 試驗方法
試樣經過發黑和磷化表面處理，放置時間分別為1，2，3，4，5h，在相同的去氫條件下對試樣進行去氫處理，去氫溫度為190℃，去氫時間為3h。另加工一組不去氫處理的試樣，共計6組。
按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用電子萬能試驗機進行拉伸試驗。按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用擺錘式沖擊試驗機進行沖擊試驗。按照GB/T 223.82—2018《鋼鐵 氫含量的測定 惰性氣體熔融-熱導或紅外法》，采用氧氮氫分析儀測定試樣中的氫含量。按照GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗方法 第1部分：試驗方法》，采用布氏硬度計進行硬度測試。將試樣磨制、拋光后，用4%( 體積分數) 的硝酸乙醇溶液腐蝕，利用光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織。用乙醇溶液反復清洗沖擊試樣的斷口，利用掃描電鏡(SEM) 觀察斷口的微觀形貌。
2.試驗結果
2.1 金相檢驗
未進行表面處理、發黑后間隔1h 去氫和發黑后不去氫試樣的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：3個試樣的顯微組織均為回火索氏體，說明發黑處理1h后去氫處理過程未能達到相變條件，對材料的組織幾乎不產生影響。
2.2 拉伸試驗
表面處理后去氫和不去氫試樣的抗拉強度測試結果如表1所示。由表1可知：經發黑和磷化兩種表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，材料的抗拉強度均呈降低趨勢。說明表面處理后，去氫間隔時間越長，氫原子向金屬材料內部擴散和富集深度越深，材料組織缺陷處富集的氫原子增多，金屬材料內部相界被原子半徑很小的氫原子填充，使材料的抗拉強度降低。
表面處理后去氫和不去氫試樣的斷后伸長率測試結果如表2所示。由表2可知：經發黑和磷化兩種表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，材料的斷后伸長率均呈降低趨勢，且數值較為接近；去氫間隔1h試樣的斷后伸長率達到15%~16%，去氫間隔2~4h試樣的斷后伸長率為14%~15%，發黑和磷化后不去氫試樣的斷后伸長率分別為14.0%和14.3%。說明在表面處理過程中的酸洗時，氫原子進入42CrMo合金鋼，材料的塑性對氫原子含量的敏感性較低。
2.3 沖擊試驗
表面處理后去氫和不去氫試樣的沖擊吸收能量如表3所示。由表3可知：經發黑和磷化兩種表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，材料的沖擊吸收能量均呈先升高后降低的變化趨勢；在間隔2h時，試樣的沖擊吸收能量達到最大，在間隔4，5h時，試樣的沖擊吸收能量與不去氫試樣的沖擊吸收能量幾乎相同；沖擊吸收能量最大值和最小值相差不超過10J。說明在表面處理過程中的酸洗時，氫原子在材料內部聚集，存在分布不均現象，不同去氫間隔時間會對試樣的沖擊吸收能量產生一定影響，去氫間隔超過3h后，與不去氫效果相近。
2.4 斷口分析
2.4.1 宏觀分析
發黑后去氫間隔1h、發黑后去氫間隔2h和發黑后不去氫試樣沖擊斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：發黑處理后去氫間隔1h和2h試樣的斷口表面平整，均未見明顯塑性變形，發黑處理后去氫間隔2h試樣斷口的剪切唇較大，放射區較小；發黑后不去氫試樣斷口的放射區最大。
2.4.2 微觀分析
發黑后去氫間隔2h和發黑后不去氫試樣沖擊斷口的SEM形貌如圖4所示。由圖4可知：去氫試樣斷口的韌窩分布均勻，呈韌性斷裂特征；不去氫試樣的斷口韌窩分布不均，呈準解理斷裂特征。
2.5 硬度測試
試樣硬度與去氫間隔時間的關系如圖5所示。由圖5可知：發黑后不同去氫間隔時間試樣的硬度基本一致，為364~367HB；去氫間1h和2h時，試樣的硬度較高，去氫間隔3h以上，試樣的硬度幾乎沒有變化；磷化后不同去氫間隔時間試樣的硬度基本一致，為358~361HB，不去氫試樣的硬度比去氫試樣的硬度略低；采用同一種方式進行表面處理，試樣的硬度與去氫的關系不大，發黑試樣的硬度比磷化試樣的硬度高約5HB。發黑處理溫度為140℃，中溫磷化溫度為65℃，說明越接近室溫，材料的氫脆敏感性越高，硬度隨之降低。
2.6 氫元素質量分數測試
試樣氫元素質量分數與去氫間隔時間的關系如圖6所示。由圖6可知：經發黑和磷化兩種表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，試樣的氫元素質量分數均逐漸增加；磷化后去氫間隔1h試樣的氫元素質量分數最低；發黑后去氫間隔1h試樣的氫元素質量分數最低。經分析，不去氫試樣的氫元素質量分數最大。經發黑和磷化處理后，溶入金屬中的氫原子富集在晶格缺陷（如空位、位錯、晶界、夾雜等）處，可通過加熱的方式去氫，在190℃條件下保溫3h，可去除發黑和磷化過程中酸洗時進入試樣中的氫。
3.結論
（1）經發黑和磷化表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，材料的抗拉強度和斷后伸長率均呈降低趨勢，不去氫試樣的抗拉強度和斷后伸長率較去氫試樣低；發黑和磷化后去氫間隔1h試樣的抗拉強度和斷后伸長率最佳。
（2）經發黑和磷化表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，材料的沖擊吸收能量呈先升高后降低的趨勢，去氫間隔2h試樣的沖擊吸收能量最高。
（3）經發黑和磷化表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，材料的顯微組織與不去氫試樣相同，均為回火索氏體。
（4）經發黑和磷化表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，材料的硬度變化小于5HB，去氫間隔時間對材料硬度的影響較小；發黑處理試樣的硬度比磷化處理試樣的硬度高。
（5）經發黑和磷化表面處理后，隨著去氫間隔時間的延長，材料的氫元素質量分數均呈升高趨勢。
作者：劉翠翠，李要鋒，王延濤，熊明華，張 壘，邵明艷，張明英，李金鳳，趙勝楠，趙 柯
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來源：《理化檢驗-物理分冊》2025年第2期
來源：理化檢驗物理分冊
