振動鑄軋細(xì)晶對板帶氫脆敏感性的影響機(jī)理

孫明翰 李凌霄 范美辰 郭仕鵬 杜鳳山

燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島，066004

0 引言

雙輥薄帶鑄軋是一種金屬快速成形新工藝，可將亞快速冷卻凝固過程與塑性變形過程合二為一，在短時間內(nèi)實現(xiàn)單一工藝近終成形[1]。雙輥薄帶鑄軋生產(chǎn)帶坯的凝固組織以柱狀晶為主，力學(xué)性能較差，容易出現(xiàn)中心偏析等缺陷[2]?，F(xiàn)階段研究表明，雙輥薄帶振動鑄軋可在凝固過程中有效提高熔池區(qū)的形核率，并在塑性變形階段造成往復(fù)搓軋的效果來增強(qiáng)動態(tài)再結(jié)晶，大幅提高鑄軋產(chǎn)品帶坯的綜合性能[3]。

氫元素作為金屬材料中的有害元素以多種形式存在于材料中，與材料相互作用引發(fā)氫脆現(xiàn)象，使材料的力學(xué)性能及抗腐蝕性能下降，嚴(yán)重影響了高強(qiáng)鋼材在石油化工、汽車、氫能、航空航天等各個工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的服役安全[4-5]。國內(nèi)外許多學(xué)者對板帶的氫脆問題展開了研究。相關(guān)研究表明，晶粒度對材料的抗氫脆能力存在較大影響，晶粒粗大的材料通常具有更高的氫脆敏感性[6-8]。TAKASAWA等[9]認(rèn)為晶界是一種有效的氫陷阱，細(xì)化晶?？梢杂行Ы档蜌浯嗝舾行裕籔ARK等[10]認(rèn)為細(xì)化晶粒能夠抑制鋼的韌脆轉(zhuǎn)變過程，從而抑制氫脆；ZAN等[11]認(rèn)為氫脆敏感性隨晶粒尺寸增大而增加是由于晶粒尺寸較大的材料孿晶較早出現(xiàn)且密度較大，單位晶界氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之增大。文獻(xiàn)[6-7,12]對不同材料的研究均證實了上述結(jié)論，但以上研究均未在材料晶粒度與氫脆敏感性之間建立起量化關(guān)系。

在氫脆問題的研究中，氫擴(kuò)散系數(shù)是一個重要的物理參數(shù)。李杰等[13]認(rèn)為金屬的氫擴(kuò)散系數(shù)大小對其氫脆敏感性有一定的影響。武光宗等[14]對回火馬氏體鋼中氫擴(kuò)散行為與氫脆敏感性的關(guān)系展開研究，結(jié)果表明氫擴(kuò)散系數(shù)大的材料具有更高的氫脆敏感性。但細(xì)化晶粒對氫擴(kuò)散系數(shù)的影響機(jī)理尚缺乏深入探討，本文針對振動鑄軋細(xì)晶作用，開展了細(xì)化晶粒對氫擴(kuò)散系數(shù)的研究。

1 實驗

1.1 振動鑄軋實驗及微觀結(jié)構(gòu)表征

筆者利用團(tuán)隊自主研發(fā)的φ500 mm×350 mm雙輥微幅振動鑄軋機(jī)進(jìn)行鑄軋實驗，獲得本次實驗所用試樣。軋機(jī)在單側(cè)軋輥施加機(jī)械振動以細(xì)化晶粒，降低產(chǎn)品的氫脆敏感性。振動鑄軋原理如圖1所示。

圖1 振動鑄軋原理圖Fig.1 Schematic diagram of vibration cast-rolling

為研究振動對鑄軋近終產(chǎn)品氫脆敏感性的影響，分別以0、25 Hz的振動頻率進(jìn)行軋制實驗，并對產(chǎn)品帶坯進(jìn)行取樣。其余工藝條件如下：鑄軋速度20 m/min，鋼液開始澆鑄溫度1 530 ℃，振幅為1 mm，熔池液位高度160 mm。本次實驗原料20CrMn鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 20CrMn成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在產(chǎn)品帶坯上截取所需試樣，利用SmartLab 9 KW型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行物相分析。XRD實驗的掃描角度范圍為25°～90°，掃描速度為5°/min，掃描步長為0.02°，管電壓、電流分別為40 kV和40 mA。試樣組織的含量采用Rietveld精修方法計算得到。在兩種工藝制備的板帶上分別等距離均勻取樣，制成標(biāo)準(zhǔn)金相試件，將標(biāo)準(zhǔn)金相試樣粗磨、精磨、拋光至鏡面，以飽和苦味酸作為腐蝕劑腐蝕試件。在Leica DMI 5 000 M金相顯微鏡下觀察標(biāo)準(zhǔn)金相試樣的晶粒度。振動與非振動試樣的XRD結(jié)果及晶粒如圖2所示。

(a) 振動鑄軋晶粒尺寸

(b) 振動鑄軋第二相XRD

(c) 非振動鑄軋晶粒尺寸

(d) 非振動鑄軋第二相XRD

由圖2可知，振動(25 Hz)與非振動(0 Hz)試樣的組織均為馬氏體及少量殘余奧氏體，且殘余奧氏體含量基本相同。相同的顯微組織表明鑄軋實驗對照組的冷卻強(qiáng)度相同且穩(wěn)定。無振動條件下鑄軋初坯試樣的平均晶粒尺寸約為70 μm，且不同晶粒之間的尺寸差別較大；振動條件下鑄軋初坯試樣的平均晶粒尺寸約為35 μm，晶粒尺寸較為均勻，無粗大晶粒存在，晶粒得到了明顯的細(xì)化。由此可以看出，振動鑄軋可以有效細(xì)化晶粒。

1.2 電解充氫實驗及力學(xué)性能測試

利用電化學(xué)工作站對試樣進(jìn)行電解充氫，充氫過程中，通過改變加載電流的大小來制備不同氫濃度的含氫試樣，以研究氫脆對金屬材料性能的影響。電化學(xué)充氫的實驗原理如圖3所示。

圖3 電化學(xué)充氫實驗原理Fig.3 Experimental principle of electrochemical hydrogen charge

電解充氫過程中，使用0.5 mol/L的H2SO4+微量Na2S作為電解充氫的電解液，以加快氫原子的進(jìn)入。將鉑金電極作為陽極，試樣作為陰極，充氫的電流密度為100 mA/cm2，對照組的電流密度為0。實驗在18 ℃的恒溫條件下進(jìn)行。振動鑄軋和非振動鑄軋的板帶試樣采用相同的充氫工藝。

為了表征充氫工藝下試樣的力學(xué)性能，采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗。使用線切割機(jī)制備鑄軋板帶標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。試驗在CSS-44100型萬能拉力機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)變速率均為6.67×10-4s-1，慢拉伸試驗在18 ℃的恒溫條件下進(jìn)行。取同一工藝參數(shù)5組試樣的平均值，以消除隨機(jī)誤差。充氫后的試樣慢應(yīng)變拉伸前在空氣中暴露約30 min。兩種工藝所得到試樣在充氫處理后的慢應(yīng)變拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 鑄軋試樣充氫前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves before and after hydrogen filling of cast-rolled specimens

由圖4可知，振動鑄軋制備的試樣強(qiáng)度為438 MPa，非振動鑄軋制備的試樣強(qiáng)度為412 MPa。100 mA/cm2的電流密度充氫30 min后，振動鑄軋試樣的強(qiáng)度為427 MPa，非振動試樣的強(qiáng)度為342 MPa。延伸率和斷面收縮率的實驗值以及變化如表2所示。

表2 鑄軋試樣充氫后的力學(xué)性能

材料氫致開裂的難易程度可以由氫脆敏感性來量化表示。在慢應(yīng)變拉伸試驗下，充氫處理后延伸率的損失為IHE(ε)，充氫處理后斷面收縮率的損失為IHE(Z)：

IHE(ε)=εloss=(ε1-ε2)/ε1

IHE(Z)=Zloss=(Z1-Z2)/Z1

式中，ε1、ε2分別為未充氫試樣和充氫試樣的延伸率；Z1、Z2分別為未充氫試樣和充氫試樣的斷面收縮率。

以IHE(ε)、IHE(Z)來評價試樣的氫脆敏感性。

在100 mA/cm2的電流下充氫30 min，振動鑄軋試樣由延伸率表征的氫脆敏感性IHE(ε)為8.65，由斷面收縮率表征的氫脆敏感性IHE(Z)為12.4；非振動試樣由延伸率表征的氫脆敏感性IHE(ε)為55.64，由斷面收縮率表征的氫脆敏感性IHE(Z)為33.93。由此可以看出，在相同的充氫條件下，振動鑄軋試樣的氫脆敏感性低于普通鑄軋試樣的氫脆敏感性。顯然，在鑄軋工藝中添加機(jī)械振動，提高了板帶材的抗氫脆能力。

2 機(jī)理分析

由上述結(jié)論可知，在鑄軋工藝中添加機(jī)械振動可以有效細(xì)化晶粒且板帶的抗氫脆能力得到顯著提高。為了探究晶粒度與氫脆敏感性之間的關(guān)系，本文根據(jù)Voronoi晶胞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了晶粒模型，對晶粒度影響氫脆的機(jī)理進(jìn)行探討分析。

在Voronoi圖中，晶胞的位置和大小由發(fā)生元的位置決定，因此Voronoi圖的發(fā)生元的布置是生成Voronoi圖關(guān)鍵。

在MATLAB中寫入以下函數(shù)：

x=rand(10n,n)a+b

式中，x為發(fā)生元單方向坐標(biāo)；n為Voronoi圖維數(shù)；a為發(fā)生元的臨界距離系數(shù)；b為發(fā)生元的位置范圍系數(shù)。

首先在MATLAB中利用Voronoi函數(shù)獲得Voronoi晶胞拓?fù)湫畔ⅰ＝又瑢ATLAB中導(dǎo)出的Voronoi圖拓?fù)湫畔⒆x取到ABAQUS中，使用ABAQUS的Part模塊接受Voronoi圖節(jié)點坐標(biāo)和每個Voronoi晶胞所包含的節(jié)點序號的信息，按照Voronoi晶胞拓?fù)湫畔⑶懈頟art。最后留出晶界，其幾何結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Voronoi晶胞細(xì)觀模型Fig.5 Voronoi crystal microscopic model

基于Voronoi算法獲取微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫畔?，結(jié)合實驗結(jié)果，構(gòu)建了晶粒度為35 μm和70 μm的Voronoi微結(jié)構(gòu)模型來模擬晶粒的幾何特征[15-16]，研究其在相同氫濃度邊界下的氫擴(kuò)散作用。模型左右兩邊邊界條件設(shè)置為100 mA/cm2充氫電流密度下的隨時間變化的氫濃度，其余節(jié)點初始時刻的氫濃度為0，先進(jìn)行0.01 s的穩(wěn)態(tài)分析，然后進(jìn)行等同于充氫時長的瞬態(tài)分析。通過晶體塑性有限元方法計算兩種工藝下的試樣在相同充氫工藝下的可擴(kuò)散氫含量及其分布。

相同的充氫條件下，沿板厚方向的可擴(kuò)散氫含量及曲線如圖6、圖7所示。模擬計算結(jié)果表明，在相同的邊界氫濃度下，晶粒尺寸為35 μm的振動鑄軋試樣沿板厚方向的可擴(kuò)散氫含量明顯低于晶粒尺寸為70 μm的非振動鑄軋試樣，即晶粒細(xì)化顯著減小了試樣的氫擴(kuò)散系數(shù)，故振動鑄軋的細(xì)晶作用是改善氫脆敏感性的主因之一。

(a) 非振動充氫

(b) 振動充氫

3 結(jié)論

(1)鑄軋過程中，添加的機(jī)械振動明顯降低了鑄軋近終產(chǎn)品的氫脆敏感性。在100 mA/cm2的條件下充氫，鑄軋初坯以延伸率表征的氫脆敏感性由55.64降低為8.65，以斷面收縮率表征的氫脆敏感性由33.93降低為12.4。

(2)振動試樣與非振動試樣相比，試樣的平均晶粒度由70 μm降低至35 μm。在同樣的充氫條件下，晶粒為35 μm試樣中的可擴(kuò)散氫分布明顯少于晶粒為70 μm的試樣，晶粒細(xì)化是減少試樣內(nèi)部可擴(kuò)散氫含量的主因。

綜上所述，振動鑄軋工藝對鑄軋初坯的氫脆敏感性改善可以歸功于更小的晶粒度。在同樣的臨氫環(huán)境下，細(xì)化的晶粒保證其更小的表觀氫擴(kuò)散系數(shù)。因此在合適的工藝窗口內(nèi)，分析氫脆的影響因素與工藝的關(guān)系，適當(dāng)調(diào)整工藝，就可以得到具有更良好抗氫脆能力的產(chǎn)品。

(a) 充氫90 min

(b) 充氫60 min

(c) 充氫30 min