00Cr17Ni14Mo2不锈钢高温抗氢脆性能研究

2 实验结果及讨论
2. 1 温度对 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢抗氢脆性能的影响 表 1 为 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢充氢的室温拉
伸性能 。650 ℃充氢后 ,试样断面收缩率从固溶处理 的 82. 1 %下降到 64. 0 % ,比 650 ℃时效后降低 9 %。
表 1 00Cr17 Ni14Mo2 不锈钢充氢后的力学性能
第 24 2001
卷 年
第 5 期 9 月
ORDNANCE
兵器材料科学与工程 MATERIAL SCIENCE AND
EN GIN EERIN G V oSl.e2p4.
No. 5 2001
00Cr17Ni14Mo2 不锈钢高温抗氢脆性能研究 Ξ
白 彬 ,张鹏程 ,邹觉生
Ξ 收稿日期 :2000 - 02 - 14 作者简介 :白 彬 ,硕士 ,工程师 ,主要从事表面分析和离子注入
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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从表 1 可知 ,高温充氢后 ,00Cr17Ni14Mo2 不锈 钢电子束焊缝试样的塑性进一步降低 ,尤其是延伸 率 ,试样断在焊缝处 。在拉伸实验中观察到 ,试样开 始屈服时 ,焊缝表面就出现了宏观滑移带。继续拉伸 时在焊缝产生“皱折”,最终在焊缝处出现颈缩断裂 , 与母材有明显的分界线 。这表明焊缝已成为试样最 薄弱区域 ,而未充氢 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢电子束焊 缝试样 ,在热影响区强度最低、在热影响区断裂。
a —650 ℃
a —固溶处理
b —650 ℃充氢
b —650 ℃时效
c —650 ℃充氢
d —焊缝 650 ℃充氢 图 1 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢金相组织 (500 ×)
c —焊缝 650 ℃充氢 图 2 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢断口组织
钢在 650 ℃时效沿晶界析出碳化物后 ,再于 300 ℃充 氢而产生沿晶数裂形貌不同[2 ] 。这表明沿晶界析 出的碳化物并非是高温充氘后抗氢脆性能下降的唯 一主要原因 。
Fe - Cr - Ni 系奥氏体不锈钢的奥氏体组织稳 定性显著影响其抗氢脆性能 。304SS 不锈钢 ,奥氏 体稳定性差 ,高压氢促使ε马氏体生成 ,产生严重氢 脆[1 ] 。奥 氏 体 稳 定 性 佳 的 21 - 6 - 9 不 锈 钢 和 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢 ,在低温氢环境中 ,对氢脆 并不敏感 。但是 ,21 - 6 - 9不锈钢在 600～900 ℃温 区加热 ,沿晶界析出碳化物 ,增加了钢的氢脆敏感 性 ,碳化物析出成为抗氢脆性能下降的主要原 因[2 ] 。00Cr17Ni14Mo2 不锈钢 ,经高能锻造固溶处 理后 ,改善了其组织结构 ,提高了其强塑性[3 ] ,使其 良好的抗氢性能进一步改善 。在高温下 ,位错 、空穴 等氢陷阱作用基本消失[4 ] ,组织和微区成分变化对 抗 氢 脆 性 能 作 用 更 加 突 出 。本 文 主 要 研 究 00Cr17Ni14Mo2 奥氏体不锈钢及其电子束焊缝在 最敏感温度 650 ℃充氢后的抗氢脆性能 ,并利用表 面和微区成分分析能力均极佳的扫描俄歇谱仪探讨 高温氢作用后的 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢微区成分 变化与性能之间的关系 。
处理条件 氘含量/ (μg·g - 1) σs/ MPa σb/ MPa
固溶处理
2
222 512
650 ℃时效
2
238 595
650 ℃充氢
34
235 597
焊缝 650 ℃充氢
27
— 562
δ/ % 62. 1 58. 6 62. 1 29. 2
ψ/ % 82. 1 70. 4 64. 0 59. 2
用二次离子质谱表面分析仪测定了拉伸试样断 口附近的氘分布 。为消除氘表面吸附效应的影响 , 收集离子枪溅射 2min 后的 D - 信号[6 ] 。图 5 为拉 伸试样断口附近 (部分) 的氘分布 。分析时 ,每区域 取三次数据 ,每类似区域取三点 ,然后取其平均值 。 沿拉伸应力方向 ,在断口附近有一氘富集峰 ,垂直于
最后 ,用 3600SIMS 二次离子质谱研究了试样表 面吸附层和拉伸试样断口横面 、纵剖面的氘分布 。初 级离子束为 O2+ ,取负离子信号 。由于 FeO - 信号稳 定 ,为消除试样形貌等因素对 D - 信号的影响 ,用 CT (D - 的计数率/ FeO - 的计数率) 来归一化氘的计数 。
水应力) 引起的 。含氢试样中存在应力梯度时 ,应力 诱导氢扩散 ,使氢发生再分布 ,氢浓度与静水应力关 系[7] :
C = C0exp (σh V h/ R T) 式中 :σh = (σx + σy + σz) / 3 , C 为静水应力 σh 处的 氢浓度 , C0σh = 0 处的氢浓度 , V h 为氢的偏摩尔体 积 。拉伸缩颈时 ,颈缩处已不再是单向应力状态 ,而 是处于三向应力状态 。颈缩处 σh 最大 ,静水应力梯 度在长程范围内驱动氘向 σmh ax 处富集 ,产生氘富集 峰 。显而易见 ,沿拉应力方向静水应力最大值在颈 缩最细处 ;另外 ,位错是强氢陷阱 ,氘富集还与位错 密度密切相关 ,其密度随离断口距离增大而降低 ,捕 氢能力减弱 ,这两个因素导致氘沿拉应力方向分布 峰值出现在断口处 。
钢电子束焊缝有大量第二相的析出 ,这些第二相与 氘共同作用导致焊缝塑性损失增加 。焊缝已成为高 温充氘薄弱区域 。
第 5 期 白 彬等 :00Cr17Ni14Mo2 不锈钢高温抗氢脆性能研究 5 5
Hale Waihona Puke a —解理区图 4 晶界深度剖析
b —韧窝
c —晶界 图 3 俄歇谱原位分析结果
加了 51 %和 323 % ,而 Ni 减少了 40 %。图 4 为沿晶 界法向 Cr 、Ni 、Mo 深度剖析的结果 ,在晶界附近出 现了富 Cr 、Mo 而贫 Ni 层 ,这与 21 - 6 - 9 不锈钢时 效在晶界附近形成贫 Cr 层不同[8 ] 。在不锈钢中 , Mo 、Ni 对氢扩散影响很小 ,而 Cr 的增加有利于降 低氢的扩散[5 ] 。因而 ,富 Cr 层成为晶界析出物界面 的阻氢层 ,阻止氢向晶界析出的碳化物扩散 、聚集 , 从而弱化了氢对碳化物 - 基体界面的作用 ,提高了 抗氢脆能力 。 2. 2 00Cr17 Ni14Mo2 不锈钢电子束焊缝抗氢脆性能
1 实验过程
试样采用商用高能锻造固溶处理的 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢 ,在 650 ℃高压氘气氛中充氢 , 氢分析仪分析表明平均氘含量为 34μg/ g ,电子束焊缝 为 27μg/ g ,处理前试样氢含量 2μg/ g。
大气环境中 ,在 INSTRON 1196 材料试验机上测 试了试样的拉伸性能 (横梁移动速度为 0. 1mm/ min) 。 试样为横截面 4mm ×15mm 的标准板状拉伸试样。为
图 1 为充氢后的金相组织 。固溶态为典型的奥 氏体组织 ,在 650 ℃时效后沿晶界和孪晶界析出连 续状第二相 ,而在 650 ℃充氢后第二相则呈链状析 出 。该析出物为碳化铬[1 ] 。
虽然充氢后沿晶界析出大量的碳化物 ,但拉伸 断口形貌并未显示出沿晶断裂 (图 2) ,而是表现为 大量的撕裂和二次开裂等形貌 ,这与 21 - 6 - 9 不锈
图 1d 为焊缝充氢后的金相组织 ,其晶粒度仍明 显低于母材 ,大量呈弥散状碳化物主要从三晶粒晶 界交叉处析出 。从图 2c 焊缝断口组织可发现 ,产生 了许多存在着一定取向的微裂纹 ,并位于三晶粒晶 界交叉处 ,与弥散状碳化物析出位置相对应 。这表
a —沿拉伸应力方向
b —垂直于拉伸应力方向 图 5 拉伸试样氘分布 SIMS 结果
本实验对晶界等微区进一步作了俄歇谱成分分 析 。可以从俄歇谱仪二次电子像观察到 ,低温冲击 脆断断口为解理区 、韧窝和沿晶区等组成 。图 3a 为 解理区原位分析的俄歇谱 ,未发现 S、P 、C、Mo 等痕 量元素的偏聚 ,Fe 、Cr 、Ni 的含量与基体相当 。这一 结果与固溶态试样低温脆断解理区分析结果一致 。 韧窝内收集的俄歇谱有 S 峰 (图 3b) ,Fe 、Cr 、Ni 含量 基本不变 。
避免氘释放 ,试样机械加工时 ,用油充分冷却。 用 MeF - 2 金相显微镜分析了 00Cr17Ni14Mo2
不锈钢充氢前后显微组织 ,并用 KYKY - 1010B 扫 描电子显微镜观察了拉伸断口形貌 。
用 PHI - 650SAM 扫描俄歇谱仪原位分析了 4 ×10 - 8 Pa 超高真空室内 ,用液氮冷却 1. 5h 后冲击 脆断试样断口上的晶界 、解理区 、韧窝等元素分布 , 深度剖析时用 Ar + 溅射 ,束流为 4. 00μA ,溅射面积 2mm ×2mm 。采用富集 Bi 表征微区成分偏聚程度 : Bi = 微区 i 元素原子分数/ 基体 i 元素平均原子分数
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拉伸应力方向 ,氘富集峰在中央 。 该富集峰是由颈缩处拉伸应力应力球分量 (静
(中国工程物理研究院 ,四川 绵阳 919 信箱 71 分箱 ,621900)
摘 要 :利 用 光 学 显 微 镜 、电 子 显 微 镜 、俄 歇 电 子 谱/ 二 次 离 子 质 谱 表 面 分 析 仪 等 结 合 拉 伸 实 验 , 研 究 了 00Cr17Ni14Mo2 奥氏体不锈钢及其电子束焊缝在 650 ℃充氘后组织 、微区成分变化与性能的关系 ,以及拉伸应力与 氘分布的关系 。结果表明 ,高温气相充氘后 ,00Cr17Ni14Mo2 奥氏体不锈钢及其电子束焊缝抗氢脆性能较明显下 降 。晶界 、孪晶界析出大量的碳化物 ,但拉伸断口形貌并未呈沿晶断裂 ;晶界上未发现 S、P 等痕量元素的偏聚 ,却 产生了富 Cr 、Mo 而贫 Ni 层 ,这表明晶界成分的变化减弱了晶界析出物对氢脆的影响 。电子束焊缝塑性下降 ,拉伸 时从该处断裂 。拉伸静水应力梯度分布导致氘在拉伸试样断口处富集 。 关键词 :00Cr17Ni14Mo2 不锈钢 ;氢脆 ;电子束焊缝 ;高温 ;A ES ;SIMS 中图分类号 : T G142. 71 文献标识码 :A 文章编号 :1004 —244X(2001) 05 —0053 —04