摘 要:针对重型 H 型钢在纵向拉伸和Z 向拉伸试验中塑性低和断口出现银白色斑点等异常 现象,采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、断口分析以及去氢退火试验等方法,对造成上述异 常现象的原因进行了分析。结果表明:试样断口表面上存在的银白色斑点是氢不断地向试样材料 缺陷处(氢陷阱)聚集而形成的“白点”。去氢退火可以有效地使恢复材料的塑性。

关键词:重型 H 型钢;断口;氢脆;去氢退火;塑性

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)05-0007-05

近年来,大跨度桥梁、超高层建筑以及大型体育场馆建设对大尺寸、厚翼缘和厚腹板的 H 型钢的需 求不断增加。重型热轧 H 型钢的外形尺寸、翼缘和 腹板厚度较大,具有较高的受力安全系数,是建设大 跨度桥梁和高层建筑钢结构所需的理想材料,也是 目前国内外研究开发的重点[1-3]。在部分重型 H 型 钢的力学性能试验中,发现其纵向拉伸和Z 向拉伸 断口出现大小不一的银白色斑点,同时材料的塑性明显降低。根据试验数据统计结果可知,银白色斑 点的数量和尺寸对材料的塑性影响较大,银白色斑 点尺寸越大、数量越多,材料的塑性越低,而其对材 料的抗拉强度和屈服强度无明显影响,说明银白色 斑点与材料的塑性存在直接关系。为查明造成此种 影响的根本原因,笔者对存在银白色斑点的重型 H 型钢材料取样并进行拉伸试验,对拉伸试样进行理 化检验与分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对试样拉伸断口(见图1)进行宏观观察,由图1 可知:纵向拉伸断口较为平整,高低起伏不大,塑性 变形不明显,在断口表面存在肉眼可见的鱼眼状银 白色斑点;Z 向拉伸断口高低起伏较为明显,但是不 存在剪切唇、放射区和纤维区,同样在断口面存在鱼 眼状银白色斑点。通过对试样纵向拉伸断口侧面 (见图2)进行观察,发现沿拉伸方向存在一系列微 孔和裂纹,并有翘皮现象,这是由试样中的气孔鼓泡 在拉伸过程中破裂造成的。

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对试样的化学成分进行分析, 结果如表1所示。由表1可知,材料的化学成分符 合标准要求。采用定氢分析仪对试样的氢含量进行 了测定,氢含量(氢元素的浓度)达到10mg/kg。结 合断口宏观形貌分析,可以初步判定断口处的银白 色斑点属于氢致白点[4-5]。

1.3 金相检验

对试样断口附近进行金相检验和夹杂物分析, 其显微组织为铁素体+珠光体,带状组织不明显,晶 粒度为7.5~8.0级,无其他异常组织(见图3)。图4 为 拉伸试样侧面孔洞周边缺陷显微组织形貌,可以看出孔洞周边缺陷显微组织为铁素体+珠光体,有 变形迹象,但与其他部位显微组织相比并无异常,未 发现明显粗大夹杂物、组织偏析和其他异常组织。 依据 GB/T10561-2005 《钢中非金属夹杂物含量 的测定 标准评级图显微检验法》对非金属夹杂物进 行评级,夹杂物级别较低,未发现大颗粒夹杂物的存 在(见表2)[6]。

1.4 断口微观形貌分析

采用扫描电镜(SEM)对纵向和Z 向拉伸断口 进行显微观察,图5,6分别为纵向拉伸和Z 向拉伸 断口显微组织形貌。两种断口在断面上均存在大小 不同的扁平特征区域,即为肉眼观察的银白色斑点, 该区域与周边存在明显的分界,与基体断裂区形成 明显的轮廓。在平坦区域内部断口形貌为舌状花 样,局部存在发纹特征,具有明显的脆性断裂特征, 该区域的断裂形式以准解理断裂为主。拉伸试样侧 面孔洞翘皮缺陷处形貌与拉伸断口形貌类似,均为 准解理断裂,本质上是同一类型断口(见图7)。在 整个断口面上除银白色斑点外,其他区域均存在断 裂韧窝,说明在断口表面的银白色斑点区域为解理 断裂的脆性断裂,其他区域仍然为以韧窝为主的韧 性断裂(见图8)。将断口银白色斑点区域放大,可以观察到在中心区域存在细小夹杂物,能谱分析结果 表明,其主要成分为钙的复合夹杂物(见图9,10)。 由断口微观形貌可知,拉伸过程中银白色斑点区域 由于基体脆化和第二相的作用而萌生裂纹,并发生 扩展直至断裂,属于氢致脆性断裂[7-8]。

1.5 去氢退火试验

为了进一步验证试样的氢脆行为,对同一批拉伸 试样进行去氢退火处理,温度为500 ℃,保温时间为 4h,然后随炉缓慢冷却。经定氢 仪 测 定 氢 含 量 为 4mg/kg,较退火前氢含量(10mg/kg)大幅度降低。

试样去氢退火前后力学性能如表3所示,可见试样 经过去氢退火后,其塑性明显提高,但是强度提高较少。 大量试验结果表明,去氢退火后试样强度和塑性的均匀 性也明显提高。经去氢退火后试样断口形貌如图11所 示,此时断口微观表面已无银白色斑点,全部为大小均匀 分布的韧窝,表明试样断裂断质为韧性断裂。

2 综合分析

重型 H 型钢在冶炼、轧制过程中不可避免地会 受到来自大气中水蒸气、矿石或合金中水分以及废 钢中铁锈的氢侵入[9]。氢在钢中的破坏机理是:由 于氢在液态钢水中的溶解度远高于其在固态金属中 的溶解度,因此重型 H 型钢在冶炼过程中,液态金 属中的氢在凝固时来不及逸出而残留在金属中,造 成氢在材料中不断扩散并聚集,当局部聚集达到一 定含量时,会造成白点、氢鼓泡等现象。氢在钢中局 部聚集 使 材 料 脆 化、承 载 能 力 下 降 以 及 塑 性 降 低[10]。由于重型 H 型钢翼缘和腹板厚度较大,分 别为67.6,42mm,因此氢更加不易扩散和逸出,从而在心部聚集,更容易产生氢脆现象。一般情况下 氢聚集在材料缺陷比较严重的部位,如夹杂物、碳化 物、微气孔等处。在缺陷处,氢原子结合成氢分子, 由此产生明显的应力,并形成氢气泡[11]。在纵向和 Z 向拉伸过程中,这些缺陷位于重型 H 型钢表面 处,氢气泡与基体变形不一致造成气泡破裂,所以在 拉伸试样侧面形成翘皮缺陷。

3 结论及建议

重型 H 型钢拉伸断口异常以及塑性降低的原 因是材料氢含量过高,产生氢脆。氢脆现象可以通 过去氢退火消除,属于可逆性氢脆。

为避免此类问题发生,建议加强炼钢原材料管理, 避免因原材料受潮造成外来氢的侵入。在冶炼过程 中,可以进行真空循环脱气炉处理,优化真空工艺路 线,使初始氢从钢水中逸出,以降低钢水中的氢含量。

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<文章来源>材料与测试网>期刊论文>理化检验－物理分册>58卷>5期(pp:7-11)>