氢对锻件及焊接件影响

lei88998

氢对锻件及焊接件影响
1　形成机理
　　(1)锻件　锻坯疏松组织内残留的氢在锻造时会重新溶解到高温奥氏体中，锻后冷却奥氏体发生相变，组织溶氢的能力减小，来不及逸出的氢原子就会扩散到锻件中的显微裂口处，形成高压分子氢，使局部组织变脆。在锻造应力、相变应力和热应力的共同作用下，变脆的显微裂口不断扩大，形成由细小裂纹组成的脆性断裂斑点，亦称白点。
　　(2)焊接件　在焊接电弧高温作用下，焊材及母材中的氢分解成原子氢或离子氢，并大量溶解于熔池中，随后熔池凝固，来不及扩散出去的氢，一部分留在金属晶格内，具有很强的扩散能力，称之为扩散氢。另一部分则扩散到由气孔、夹渣等焊接缺陷构成的陷井处，结合成分子氢，因体积变大而不能再扩散，称之为剩余氢。在焊缝发生大塑性变形时，陷井处产生应力集中，剩余氢会重新分解成原子氢，并扩散到位错形成的显微空腔处，形成高压分子氢，引起局部脆化现象，其断口一般为中心带气孔或夹杂物的圆形脆断斑点，俗称鱼眼。


2　处理方法
　　(1)锻件　铁素体组织氢扩散快，奥氏体组织溶氢能力大，这两类锻件都不易产生白点，只有含Cr、Mo、Ni及W等敏感元素的混合组织型合金钢，才易形成白点。锻件白点是一种脆断裂纹，一旦形成将对材料塑性产生严重影响。本厂甲烷化炉 15CrMo珠光体耐热钢锻坯试验数据见表1。表1数据说明，即使改变热处理方法，也无法恢复材料的塑性。用超声波探伤锻坯，回波显示为尖端分岔的乱山峰波形，属于典型的白点缺陷波形。标准规定不允许使用存在白点缺陷的锻件。在实际工作中，我们采取以下措施处理存在白点的锻件：①去除锻坯芯部材料，留用表层氢扩散容易，不易形成白点缺陷的材料，并用超声波探伤检查是否存在白点缺陷。②对锻件重新进行锻制，锻后保温消氢，由于锻件内部白点未被污染，细小裂纹是可以“焊合”的。表1中，15CrMo锻坯在重新锻制及消氢处理后，经力学性能试验和超声波探伤检查，证明白点缺陷已消除。
组号 拉　　伸　　试　　验 冲　　击　　试　　验 备　注
σb/MPa σs/MPa δ5／％ ψ／％ 缺口型式 试验温度 AK／J
1 476 301 11.8 33.8 V型 室温 54，50，58 正火处理测试值
2 540 428 15.2 35.4 V型 室温 60，100，79 调质处理测试值
3 ≥441 ≥255 ≥19.0 — U型 室温 ≥47 JB 755标准值

　　(2)焊接件　在对焊接试板进行力学性能试验时发现鱼眼缺陷。常规做法是对产品进行消氢热处理，但这样做一方面成本高，另一方面有些产品加工成型后，因为各种原因而难于再进行消氢热处理。那么不进行消氢热处理，能否保证产品的安全使用呢，在经多方面分析后我们得出以下结论：①鱼眼缺陷是在焊缝塑性变形过程中形成的(超声波探伤及低倍酸蚀检查均难发现)，压力容器等产品一般按弹性理论设计，在使用过程中焊缝不会出现大的塑性变形，故迄今为止还未见有鱼眼缺陷引发重大事故的报道。②统计表明，出现鱼眼缺陷的焊接试板，其弯曲性能指标大多合格。本厂1986年对16MnR产品焊接试板抽样统计结果见表2，表中带“*”号组为梅氏试样冲击功值。③由于氢扩散能力强，随着时间推移，焊缝中含氢量呈下降趋势，产生鱼眼缺陷的可能性减小。④现行标准规范对锻件白点缺陷严格控制，但对焊接件鱼眼缺陷无明确限制，体现了区别对待的原则。当然对于按应力分析设计的压力容器以及塑性指标恶化(弯曲试验不合格)的高强钢容器，为稳妥起见应尽量进行消氢热处理。
表2　16MnR试板鱼眼缺陷汇总

板厚/mm 抗拉强度σb/MPa 断口位置 鱼眼数或尺寸 弯曲试验 冲击功Akv/J
面弯 背弯
20 562 焊缝 10个最大3.5 mm 完好 完好 187，188，180
550 焊缝 2个最大?2.5 mm
14 614 焊缝 4.6 mm 完好 裂lx＝3 mm 180，159，175*
608 母材 —
12 612 焊缝 1.8 mm 完好 完好 145，142，134*
607 母材 —
12 610 焊缝 4.5 mm 完好 完好 76，66，66
603 母材 —

3　结　语
　　锻件白点严重损害材料塑性，降低结构静载强度和疲带强度，可通过重新锻造及消氢方法进行处理。焊接件鱼眼缺陷是在焊缝大塑性变形过程中形成的，在材料弹性范围内不会影响结构的安全使用，但对于塑性指标恶化的高强钢容器，拟进行消氢热处理。本厂甲烷化炉等几十台压力容器按以上原则进行了处理，至今已安全运行十多年，经济效益显著。