D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1984.04.007 北京钢铁学院学报 1984年第4期 超高强钢的滞后破坏 北京钢铁学院田中卓吕宋布常香荣肖纪美 长安机器厂冯仪丰 多 摘 要 用WOL和悬臂梁试样研究了高强度镀篇钢35 CrMnSiA,并确定了钢中和铵层中的盟蟹。被层丛，在203°C通过 光亮、致密镀层脱氢很慢，钢中氢盘起初升高：？一2,5小时后达到蜂值，然厅下降，钢的稀后破坏性能取次于钢中氢量， 当钢中氢意达到蜂值封，其K1SCC总小，大，为了提离武器随，有必要延长脱氢时间。 一、前 言 镀镉善氢，是众所周知的事实，因而重要零件、部件在镀后都要经过烘烤，使渗入的 氢逸出。七十年代用锂核探针的研究结果说明镀层是富氢的[1】。图1指出，在烘烤以前， 镀层的氢浓度>180WPpm影而钢中≤20Wppm。镀层的致密程度。因镀镉的工艺条件而 异。主要取决于电流密度。长安机器厂使用的电流密度为0.5~1.5A/dm2,镀层是致密 的，美国波音、道格拉斯、洛克希德飞机公司使用的电流密度大得多。i=6~8A/dm2,镀 层是疏松的[2]。镀层的致密程度，对烘烤过程中氢的逸出和再分布有重要影响[3]。图 2是镀厚度为10μm的试样在200°C烘烤时钢中氢量和烘烤时间的关系。镀层琥松的试样， 钢中氢量在烘烤过程中单调下降影烘烤4小时以后。钢中氢量为初始值的1/3。镀层致密的 400斤 800 O- 0.8 200 ]3 前 0.6 0.4 刺 100 Cd镀层 0.2 想影 ≤20wPP血 812102024 深度（μm) 烘烤时间小时) 图1镀层一交界区一钢中的氢浓度[1] 图2钢中氢含量和烘烤时间的关系 71
北 京 铜 铁 学 院 学 报 二 年 第 期 超高强钢的滞后破坏 北 京 钢 铁 学院 田 中卑 吕 荣帮 常 香荣 肖纪 美 长 安奥机 器 厂 冯仪 丰 摘 要 用 和悬臂梁 试样研究了 高强度镀福 钢 ， 并确定 了 钢中和钱 层 中的 组 盆 。 镀 层 富认 ， 在 “ 通 过 光秃 、 致密镀层脱氢很慢 ，钢 中氢 里起初升高 一 小 时后达 到蜂值， 然后 下降 钢的 滞后破坏 性能取决于钢中氢盆 ， 当钢中， 达到 。 值时 ， 其 ， 最 ，卜 ， 或异最 、 。 为 了，高武器 质、 ， 有 。 要延 长，兑‘ 时 、 。 一 、 前 尸 日 镀福渗氢 ， 是众所周知的事实 ， 因而 重要零件 、 部件在镀 后都要 经过烘烤 ， 使渗入的 氢逸 出 。 七 十年代用握核探针的研 究结果说 明镀层是富氢的 〔 〕 。 图 指出 ，在烘烤以前 ， 镀层的氢浓度 而钢中 。 镀层的致密程度 。 因镀福的工 艺条件 而 异 。 主要取决于 电流密度 。 长安机器厂 使用的 电流密度为 。 “ ， 镀层 是 致 密 的， 美国波音 、 道格拉斯 、 洛克希德 飞机公司使用的 电流密度 大 得多 。 ， 镀 层是疏松的 〔 幻 。 镀层的致密程度 ， 对烘烤过程 中氢的逸 出和再分布有重要影 响 〔 〕 。 图 是镀厚度为 郎 的试样在 “ 烘烤时钢中氢量 和烘烤时间的关系 。 镀层琉松的试样 ， 俐 中氢量在烘烤过程 中单调 下降 烘烤 小 时以 后 钢中氢量为 初始值的 。 镀层致密的 。︸。 · 喇妞城 甲如 ， 。 肠 一一之 凡 ， 芍卜 一 。州抓 ，翻‘且 甘八 八甘 侧切臼任氏、伪卜 吸 钢，—， ， 。 ‘入 认 “ 「、 ‘ 均一一乙一一一 ‘ ‘协 」 一 月 ， 一 ‘ 一 一‘ “ 臼 一一一 一 一 一 一 侧 ， 名 深 度 拌 图 镀层一交界区一钢 中的氢浓度 〕 洪烤时间 飞小印 图 钢 中氢含且和洪烤时间的关系 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1984．04．007
试样，由于氢不易从表面逸出，在烘烤过程中，向钢内扩散反而比较容易，所以钢中氢承 开始上升，2小时后达到极大值，然后级慢下降。烘烤24小时后，钢甲氢量仍高于初始值。 按照近代氢致滞后破坏的概念，破断需要两个条件：其一是材料中含有足够的筑。或 有足够的氢从环境渗入材料内部，另一个条件是存在应力梯度，氢在应力场中上坡扩散， 使局部氢量达到开裂的临界值，萌生裂纹。开裂使应力更为集中，应力又使氢局部聚集， 这两个条件互为因果。使裂纹扩展。 二、实 验 为了初步判断开裂的原因，对开裂部件用扫描电镜进行断口分析。图3是破断部位的 实物照片。A是裂纹源，B是裂纹缓慢扩展区，D是实物解剖时快速弯断区，C线是B、D 两区的界线，也是滚轮轴紧配合和滑动配合的分界线。图4放大20倍，河流状条纹指向裂 冈3破断部位的实物照片 图4破断部位的放大照片 纹源A。图5是B区的沿品断口，其形貌和高强钢氢致滞后破坏的断口相符。D区为准解理 和韧窝带混合断口（图6），和该钢种未充氢时弯断的断口形貌一致。图7是裂纹缓慢扩展区 和快速弯断区的交界部位，两侧的断口形貌截然不同。图8为裂纹源A处的放大照片，裂 纹源宽60μm。从破断件断口形貌可以看出。开裂原因是氢致滞后破坏。在应力和氢的作 用下，裂纹缓慢扩展，直至应力消失，裂纹扩展停止。开裂零件经过长期存放，钢中氢量 已从裂纹逸出，所以D区断口又恢复未善氢前的形貌。 图5B区的沿晶断口350× 图6D区的准解理和制英的混合断口350× 72
试样 ， 由于 氢不 易 从表面逸 出 ， 在烘烤过程 中 ， 向钢内扩散反而 比较容易 ， 所 以钢 中氢最 开始上升 ， 小时后 达 到极大值 ， 然 后缓慢下降 。 烘烤 小时 后 ， 钢 甲 氢量 仍高于 初始值 。 按 照近 代 氢致滞后 破坏的概念 ， 破断需要两个条件 其一是材料 中含有足够的氢 。 或 有足够的氢从环 境渗入材料 内部， 另一 个条件是存在应力 梯度 ， 氢在应 力场 中上坡扩散 ， 使局 部氢量 达 到开裂的临界值 ， 萌生裂纹 。 开裂使应 力更为 集中 ， 应力 又使 氢局 部聚集 ， 这两 个条件互 为 因果 。 使裂纹扩展 。 一 矛扣 冠入 一 、 下戈 习黔 为 了初步判断开裂的原 因 ， 对开裂部件用扫描 电镜进行断 口 分析 。 图 是 破断部 位 的 实物照 片 。 是裂纹源 ， 是 裂纹缓慢扩展 区 ， 是 实物解剖时快速弯断区 ， 线是 、 两 区的界线 ， 也 是滚轮轴紧配合和滑动配合的分界线 。 图 放大 倍 ， 河流状条纹指 向 裂 图炙 破断部位的实物照’ 图 破 断部位 的放大照片 纹源 。 图 是 区的 沿品断 口 ， 其形 貌和 高强 钢氢致 滞后破 坏的断 口 相符 。 区为 准解理 和 韧窝带混 合断 口 图 ， 和该钢种未 充氢时弯断的断 口 形貌一 致 。 图 是 裂纹 缓慢扩展 区 和快速弯断区 的交界 部位 ， 两侧 的断 口 形 貌截然不 同 。 图 为 裂纹源 处 的放大 照 片 ， 裂 纹 源 宽 林 。 从 破断件断 口 形貌 可 以 看 出 。 开裂原 因是 氢致 滞后 破坏 。 在应 力 和 氢 的作 用 下 ， 裂纹 缓 慢扩展 ， 直至 应力 消失 ， 裂纹扩展停止 已 从 裂纹 逸 出 ， 所 以 区 断 口 又恢 复未渗氢前 的形 貌 。 。 开裂零件经 过长期存放 ， 钢 中氢量 图 区 的 措 晶 断 口 图 以的准解理和刊 窝 的 了昆合断 口
图7裂纹缓慢扩展区快速弯断区的交界部位 图8裂纹源A处的放大照片 350× 350× 为了进一步确定开裂的原，找到防止开裂的措施，研究了镀层致密度、烘烤时间、一 次镀镉或退镉重镀对材料性能的影响。选用新的滞后破坏试验方法[】，恒位移的WOL 试样（图9）和恒载荷的悬臂梁试样（图10）同时并举，互相补充。另外，分析各种状态 镀镉和退后的氢量，以便计算总氢量和镉层、钢中氢浓度。 试验钢35 Cr MnSiA成分为，0.35%C,1.14%Si,0.99%Mn,1.22%Cr,0.010%S, 0.015%p。0.05%Ni。0.008%Cu。杨氏模昼为2,1×10kg/mm。Q,=153~162 kg/mm2,6,=173.6~174.5kg/mm2。晶粒度6~8级，Hg=187~207,最终热处理为 880±10°C加热，290±10°等温15~20分钟，然后水冷。镀镉电流密度i=0.5~1.5A/dm2。 用WOL试样研究了十二种状态（见表1），分别以A、B、…L标志之。其中D状态为现行工 艺，镀镉后200°C烘烤2.5小时。E、F、G分别烘烤5.5、12、20小时。J状态为一次退镉 重镀现行工艺，即镀镉后烘烤2.5小时，退镉、重镀、再烘烤2.5小时。K状态为二次退镉 重镀试样。H、I和J、K对应，对H、I在退镉后烘烤2.5小时。L的镀层和其他试样不同， 60±2 22-55- R0.25±0.025 170 38.25 48 图9WOL试样 图10悬臂梁试样 表1 改型WOL试样的十二种状志 A*→镀Cd+2.5④* B -→镀Cd④ Q →镀Cd +退Cd +镀Cd +退Cd 一+镀Cd④ D →镀Cd-→2.5④ E +镀Cd-→5.5① 73
图 裂纹缓慢扩展区快速弯断区 的交界部位 图 裂纹源 处的放大照片 为 了进一 步确定开裂的原 ， 找到防止开裂的措施 ， 研 究了镀层致密度 、 烘 烤时 间 、 一 次镀锅或退锡重镀对材料性能的影 响 。 选用新的滞后破坏试验方法 〕 ， 恒 位移的 试 样 图 和恒载荷的悬臂梁试 样 图 同时并举 ， 互 相补充 。 另外 ， 分析各种 状 态 镀镐 和 退 后 的氢量 ， 以 便计算总氢量 和镊层 、 钢 中氢浓 度 。 试 验钢 成分为 ， ， ， ， ， ， 八 一 ，一 、 ， ， ， 八 ‘ 。 。 。 二 杨 氏 模 量 为 ‘ ‘ 。 “ ’ ， 。 “ 。 晶粒度 级 ， 。 ， 最终 热 处 理 为 士 加热 ， 士 “ 等温 分钟 ，然后水冷 。 镀锡 电流密度 。 。 用 试样研 究了十 二种状态 见表 ， 分别以 、 、 … 标志之 。 其中 状态为现行工 艺 ， 镀锡 后 烘烤 小时 。 、 、 分别烘烤 、 、 小时 。 状态为一 次 退 银 重镀现行工艺 ， 即镀锡后烘烤 小时 ， 退镊 、 重镀 、 再烘烤 小 时 。 状态为 二 次 退 福 重镀试样 。 、 和 、 对应 ， 对 、 在退锡后烘烤 小时 。 的镀层 和其他试样不 同 ， 以四 · 士 · 夕 一，「 。 州 日 一 图 试样 图 悬臂梁试样 表 改型 试样的 二种状态 ，镀 ， ④ 镀 ④ ， 镀 — ，退 — ， 镀 — ， 退 — ，镀 田 ，镀 ， ④ ，镇 一 ， 田
F+镀Cd--一→12④ G 镀Cd -→20④ ◆ H 镀Cd→2.5 一+退Cd一2.5一→镀Cd-→2.5④ I→ 镀Cd+2.5-一→退C2-+2.5一镀2.5--→2.5→退Cd-→2.5→镀Cd→2.5① J 镀Cd+2.5-.-+退Cd -→镀Cd-→2.5① K→镀Cd+2.5一+退Cd- →镀Cd--→2.5-→退Cd-→镀Cd→2.5④ L-→镀Cd→2.5① ·A状态为先加载后镀镉，其他状都是表面处理完毕后加载。 ··2.5,15.5,12及20均表示在200拱烤时间，以小时为单位。符号⊕表示表面处理完毕。 ···L状态为疏松镀层，然后烘樽，其他状态为致密镀层。 它是疏松镀层，电流密度i=8A/dm2。B镀镉后没有烘烤，C是两次退镉重镀试样，但一 直没有烘烤。A是先加载至K1=200kg/mm3/2以后再镀镉、烘烤的试样。每种状态做两 个重复试样，实验数据取其平均值。 由于钢中氢在室温有相当大的迁移能力，首先要解决的问题是在试验过程中氢是否会 透过镀层或从预裂纹中逸出。为此，做了预备试验。将镀镉后的试样置于石蜡油中，24小 时内并无气泡逸出，这说明透过致密镀层在室温放氢是可以忽略的。在预制裂纹时，必须 将镉层切开，从切口处放氢是难免的，我们用快速加载的方法克服了这个困难。各种状态 的WOL试样线切割2mm,预制疲劳裂纹2mm,立即用引伸计和静态电阻应变仪加载，这 三道工序快速进行，使预裂纹扩展距离大于同时间内氢的扩散距离，疲劳机卸载和螺钉加 载之间的时间间隔不大于5分钟，如果氢的室温扩散系数为10~·cm2/sec数量级，则逸出 氢的深度 X=√Dt=V√10-0×300=0.17mm 比观察到的塑性区线度小得多。加载以后，试样内已形成应力场，氢将在应力梯度下扩 散，集中在塑性区中，可见塑性区中的氢大部分是可以保存下来的。 其次要解决的问题是选择合适的载荷，35 CrMnSiA热处理后的Ki。=246kg/mm3/2。 高强钢在强烈介质的影响下，K.可能为K.1/3,初始应力场强度因子可选择的范围为 K1=100~200kg/mm3/2。由于镀镉渗入的氢量很少，而且所研究的十二种状态中，包 含性能很好的状态（如G、L状态），为了使性能好的状态也能在较短的时间内开裂，我 们选定其上限K1=200kg/mm3/2。这个初始应力场强度因子大了一点，以致使能差的状态 (如H、I、J、K等)的a止/W超过了标定范围0.8，因而测不到Kse。凡是a止/W>O.8 的状态的K均小于89.7kg/mm3/2。 加载以后，测量裂纹长度，绘制△a一t曲线。试验指出，裂纹扩展速度快的试样， △a一t曲线只有一个线性段I(图11)即经过一段孕育期以后，裂纹增速扩展，然后进入 恒速阶段，最后减速，直到停止扩展。裂纹扩展速度慢的试样△a一t曲线有两个或三个线 性段（图12）。我们分计算了()1、()1()1。对t/w<0.8的试样计算了 K1e,数据见表2。 从改型WOL试样实验结果可以看出，一次镀镉的试样，随着烘烤时间的延长，性能 不断改善（图13），烘烤2.5、5.5、12、20小时的平均裂纹扩展速率(da/dt)分别为 74
， ， ， ， ， ， 镀 一 一， ④ 镀 一 一 一， ④ 镀 ， — 、 ，退 一 。 一，镀 一， ④ 镀 ， 一— ，退 一， 一镀 一， 一， 退 ， ，镀 ， ④ 镀 ， 一，退 — ，镀 一， 。 ④ 镀 ， 。 一 退 … ，镀 ， ④ ，镀 一， 。 一 ，退 一，镀 ， 。 ④ · 人状态为先加载后镀锡 ， 其他伏都是表面处理完毕后加载 。 · 。 ， ， 及 均表示在 。 。 。 洪烤时间 ， 以小时为单位 。 符号 表示 表面 处理完毕 。 … 状态 为疏松被 层 ， 然后烘烤， 其他状态 为致密镀层 。 它是疏松镀层 ， 电流密度 “ 。 镀锡后没有烘烤， 是两 次退锡重镀试样 ， 但 一 直没 有烘烤 。 是先加载至 夕 ” 以 后再镀镊 、 烘烤的试 样 。 每种状态做 两 个重复试样， 实验数据取其平均值 。 由于钢 中氢在室温有相当大的迁移能力 ， 首先要解决的间题是在试验过程 中氢是否会 透过镀层或 从预裂纹中逸 出 。 为此 ， 做 了预备试验 。 将镀福后的试样置于石蜡油 中 ， 小 时 内并无气泡逸 出 ， 这说明透过致密镀层在室温放氢是可 以忽略的 。 在预制裂纹时 ， 必须 将锡层 切开 ， 从切 口 处放氢是难免的 ， 我们 用快速加载的方法克 服 了这个 困难 。 各种状态 的 试样线切割 ， 预制疲劳裂纹 ， 立 即用 引伸计 和静态 电阻应 变仪加载 ， 这 三道工序快速进行 ， 使预裂纹扩展距离大于 同时间 内氢的扩散距离 疲劳机卸载和螺钉加 载之 间的时间间隔不 大于 分钟 ， 如果氢的室温扩散系数为 “ “ 数量级 ， 则 逸 出 氢的深度 亿顶 亿而而咬厄丽 二 。 比观察到的塑性 区线度小得多 。 加载以 后 ， 试样内已形成应力场 ， 氢将在应力 梯 度 下 扩 散 ， 集中在塑性区 中 ， 可见 塑性 区 中的氢大部分是可 以保存下来 的 。 其次要解决的间题是 选择合适的载荷 ， 热处理后的 。 名 。 高强钢在强烈介质的影响下 ， 可 能为 卜 ， 初始应力场强度 因子 可选 择 的 范 围为 忽。 由于镀锡渗入的 氢量很少 ， 而 且所研 究的十二种状态 中 ， 包 含性能很好的状态 如 、 状态 ， 为 了使性能好的状态也能在较短的时间内开裂 ， 我 们选定其 限 ” “ 。 这个初始 应力场强度 因子大 了一 点 ， 以 致使能差 的状态 如 、 、 、 等 的孔 超过了标定范围 ， 因而测不 到 ‘ 。 凡是 止 的状 态 的 均小于 “ ’ 。 加载以 后 ， 测 量裂纹长度 ， 绘制 △ 一 曲线 。 试验指 出 ， 裂纹扩展 速度快 的 试 样 ， △ 一 曲线只有一个线性段 图 即经过 一 段孕育期以 后 ， 裂纹增速扩展 ， 然后 进 入 恒速阶段 ， 最后 减速 ， 直到停止扩展 。 裂纹扩展速度慢的试样 △ 一 曲线有两个或三个线 ， 曰 、 一 ，‘ ， ， 、 一 、 、 ， 、 二 ， 二 ， ， ， 、 、 。 ‘ 、 一 性段 图 。 我们分计算了《器 ， 节 ， 【器 》 。 。 对 止 的 试 样 计 算 了 一 、 ‘ 一 ‘ “ ” 刀 ’ 一 刁 、 ， 、 、 ， 、 且 。 ’ 一 止曰 ’ ‘ ’ 川 洲 一 ， ’ 护 ， 一 。 。 ， 数据见表 。 从改型 试样实验 结果可 以 看出 ， 一 次镀镐的试 样 ， 随着烘烤 时 间的延 长 ， 性 能 不断改善 图 ， 烘 烤 、 、 、 小时的平均裂纹扩展 速 率 分 别 为
20 16 12 8 2 3 4×10 t(分) 图11D状态的△a一t曲线 零 t(分) 3 4×100 图12G状态的△a一t曲线 4.83,3.30,0.98、0.82×10-cm/sec。一次镀镉但不烘烤的B状态，裂纹扩展速率也是 低的，这是因为WOL试样裂纹尖端离富氢镀层达4mm之多，B状态未经烘烤，钢中氢量 较少，所以裂纹扩展速率较低。而经短时烘烤的D状态，正好是钢中氢量较高的状态，所 以性能较差。这些渗入钢中的氢量，须经过长时间的烘烤，才能扩散到工件表面，透过致 密镉层，从表面逸出。这个结果，并不意味着可以不烘，如果工件在邻接镉层处开裂，镉 层中的氢将促进裂纹的萌生和扩展，在悬臂梁试验中证实了这一点。 E 4 3 B 2 12 0.10.20.30.4 At×103(scc △t×10-(scc) 图13不同烘烤时间对裂纹扩展速率的影响 图14退镉重镀对裂纹扩展速率的影响 75
咋卜‘胜‘ 任 丹任︸ ‘ 企 分 义 ‘ 图 状态的△ 一 曲线 ， 吧二一一一一一 八司︸口已汀 怡‘ 分 ‘ 图 状态的△ 一 曲线 ， ， 、 火 一 ‘ 。 。 一 次镀镊但不烘烤的 状态 ， 裂纹扩展速率也是 低的 ， 这是 因为 试样裂纹尖端离富氢镀层 达 之多 ， 状态未经烘烤 ， 钢 中 级蛋 较少 ， 所以裂纹扩展速率较低 。 而经短 时烘烤的 状态 ， 正好是钢 中氮盈较高的状态 ， 所 以性能较差 。 这 些渗入钢中的氢量 ， 须经过长时间的烘烤 ， 才能扩散到工件表面 ， 透过致 密镊层 ， 从表 面逸 出 。 这个结果 ， 并不 意味着可 以不烘 ， 如果工件在邻接福层处开裂 ， 福 层 中的氢将促进裂纹的萌生 和扩展 ， 在悬臂梁试验 中证实了这一 点 。 气日。口 。洲劝又口 日。 。心璐 巨， 八 ， 。 图 不 同烘烤时间对裂纹扩展速率的影响 △ 一 ” 图 退铜重镀对裂纹扩展速率的影响
表2 改型WOL试样的试验结果 状 态 试样号 (cm/see) a止 KItee Kisco 备 注 亚 (mm (Kg/mm3/2) 2一2 1.44 0.21 0.057 18.6 154.3 B 1.06 145.2 2-3 0.68 0.28 25.7 136.0 2一4 4.71 2.09 34.7 <89.7 3.78 2-5 2.84 0.68 29.9 100.5 2-62.56 31.5 <89.7 Kee=85.9* D 4.83 2-717.09 32.0 <89.7 Ke=84.9*◆ 2-8 2.97 31.8 <8.97 K6=85.1* E 3.30 2-9 3.62 31.4 <87.7 Ke。=87.0* 2-10,1.24 0.28 30.6 92.3 0.98 108.5 2-110.72 0.25 25.8 129.7 2-120.65 0.23 25.6 125.5 G 0.82 125.1 2一130.98 0.39 25.5 124.7 2-1411.90 33.1◆ <89.7 N 11.44 2一1510.97 32.8* <89.7 2一169.47 32.0◆ <89.7 8.72 2一187.97 27.8◆ 104.5 2-2017.42 34.7 <89.7 J 12.75 2-218.08 3.00 98.9 2-228.20 30.5 96.1 K 12.44 2一2316.67 34.9 <89.7 2-241.09 0.29 24.7 134.5 L 3.81 134.5 2一256.53 A2-310.28 2.02 ·从试样裴面测得的数据，比从断平.上测得的值平均1.8mm ··按数据表外推的K1SCc值 76
衰 改理脚。 试样的试脸结某 些 、 。 。 止 ， 从 。 备 注 三 一 了 “ ， ” “ 态状 号试样 一 一 。 。 一 一 。 一 · 。 一 ， 。 一 一 。 一 · ” 一 一 。 。 一 。 一 一’ ” “ · ” “ ， 一 一 一 。 一 。 一 … … 。 ’ 。 … … 一 一 … 一 … …一 …二 …… 』丛 一凳扛 …二 一 … …二 … …二辈认 … 一 …盗匕…丁窦万 一 一 ， ’ …， 万… … … “￡ 一干 … 一 。 。 ‘ 。 。 。 。 一 。 。 。 。 一 。 。 。 。 一 。 一 ， 。 。 。 一 · 。 。 · 从试样表面 测得的 数据 ， 比 从断平 测得的值平 均 。 。 按 数 据表外推 的 值
退镉重镀，确实使性能变坏（图14）这和过去的经验相符。H、I、J、K状态的 (),比现行工艺D状态大约高一倍由于一次镀桶后：烤不够，排气不充分，残余氢址可以 和退镉重镀时渗入氢量加起来，使材料性能进一步变坏。所以问题仍然归结为如何充分排氢 H、I、J、K之间的差别不大。退镉后烘烤2.5小时的H、I比、J、K稍有改善；退镉以后 试样表面没有致密镉层，烘烤效果应当好些，但这次试验，烘烤时间太短。 统松骏镉的试样性能较好，（表2,2.5小时烘烤后的(），和致審镀镉烘烤5,5小时E 的状态的接近，K。=134,5kg/mm3/2是所有十二种状态中较高的。为了提高疏松镀层的 耐蚀性能，国外在零件烘烤后经铬酸盐处理，然后涂漆[1]。 表3悬臂梁试样的表面处理 为了补充WOL试样的不足 之处，将经过表1中表面处理工 B +① 艺流程的D、I、K状态的悬臂梁 +心 试样，再在200°C烘烤5.5、12、 D、IK 一一一→少 +5.58* 20、小时（表3）和B状态一起，做 →④ +12⑧ 悬臂梁试验。为了避免钢中氢量 +④ +22.5⑧从预制疲劳裂纹中逸出，悬臂梁 试样不预制藏劳裂纹，而做V形 ◆符号④表示表面处理完毕 缺口，缺口尖端R=0.25±0.025， 使缺口尖端能镀上镉层。在实验过程中，试样承受弯距M,裂纹从V形缺口尖端镉层下 萌发，向下扩展。在这种情况下，在开裂的初始阶段，镉层中的氢将促进开裂和裂纹扩 展。为了节省试样，缩短实验周期，我们采用单试样法，每隔12小时增加5kg砝码， 测量断 裂时间t,试验结果如表4。 表4 悬臂梁试验结果 标志 最后烘 试样号 te 烤时间 (小时) (小时) 标志 最后烘 烤时间 试样号 te te (小时) (小时) B 0 2-1 66.75 2-2 79.5 2.5 2-12 37.58 37.6 92.75 2-13 41.58 2-30 80 108. 2-1452.38 47 2.5 2-31 84 60. 2-5 78.5 14.5 2-6 74.68 76.9 2-32 108. 8.0 114 22.5 2—3 120 2-16120 120 2-33 120. D 2.5 2-21 36 36 2-24 120. 2-8 57.25 14.5 120 80 2-7 58.6 2-25 120. K 60 2-26 80.42 2-26 132. 14.5 2-27 94.2 22.5 108 126 2-27 120, 22.5 2-22 120 2-25 132 128 77
退如重镀 ， 确实使性能变坏 图 这和过去的经验相符 。 、 、 、 状态的 勃 比现行工艺 状态大约高一 倍 。 由于一 次镀福后烘烤不够 ， 排气不充分 ，残余氢量可 以 、 ， 川佣 一 ， 一 “ 一外 叫 ’， ’ 曰 。 曰 ‘ ‘ 曰 ‘ ’ 甘 一 ’ ‘ ” ， ” ’ ‘ “ 一 ‘ ” 一 一 ’ 一 和退福重镀 时渗入氢量加起来 ，使材料性能进一步变坏 。 所以 间题仍然归结为如何充分排 氢 、 、 、 之 间的差别不 大 。 退锡后烘烤 。 小 时的 、 比 、 、 稍有改善 ，退锡以 后 试样表 面没 有致密福层 ， 烘烤效果应 当好些 ， 但这次试验 ， 烘烤时间太短 。 二 二 ‘ … 二 ‘ ， ， ， …二 二 、 一 一 一 … ， ， 。 疏松镀福 的试样性能较好 ， ‘表“ ， ， “ · ” 小时烘 烤后的 箭 和致密镀福烘 烤” · “ 小时 的状态 的接近 ， 知 名是所有十二种状态 中较高的 。 为 了提高疏松镀层 的 耐蚀性能 ， 国外在零件烘烤后经铬酸盐处理 ， 然后涂漆 〔 〕 。 衰 ，梁试样 的表面处理 为 了补充 试样的 不 足 ，④ 、 、 — ‘ 匆 …一 、 一 一一一一‘ 哟一 ‘ 娜 — 一一一一‘ 。 ⑧ 一 一一一一一一 ⑧ 之处 ， 将经过表 中表面处理工 艺流程 的 、 、 状态 的悬嘴梁 试样 ， 再在 烘 烤 、 、 、 小时 表 和 状 态一 起 ， 做 悬 臂梁试验 。 为 了避 免钢中氢量 一一 一 一一一 一 ， ⑧ 从 预制 疲劳裂纹 中逸 出 ， 悬 嘴梁 试 样不 预制疲 劳裂纹 ， 而 做 形 符号。 表示表面 处理完毕 缺 口 ，缺 口 尖端 士 ， 使缺 口 尖端能镀上锡层 。 在实验过程 中 ， 试 样承受弯距 ， 裂纹从 形缺 口 尖 端 福 层 下 萌发 ， 向下扩展 。 在 这 种情况 下 ， 在开裂的初始阶段 ， 锡层 中的氢将促进 开裂 和 裂 纹 扩 展 。 为 了节省试样 ， 缩短 实验周 期 ， 我们采用单试样法 ， 每隔 小时增加 祛码 ， 测量断 裂时间 ， 试验结果如表 。 表 悬，梁试验结果 最后烘 烤 时间 试样号 小时 小 时 一 一 。 。 。 …一 。 。 。 ， — 一 ‘ 巴 。 一 一岑矍 。 一 一……望一 。 。 。 一 。 。 。 。 叶 一 …题”… 试 羚 … 一 西 一 …趣 … 一 子竺三 一 … 一 脸些 全竺生…尧互竺 一 」 。 一， ‘ 尸 。 。 。 ‘ 一 刁 ‘ 一 — 下厂下歹 卜万万王 一 一 一 · ， 一 。 一‘ 。 一 。 。 。 ‘ 月 。 口 。 。— — 卜兰亡二生 哭 一 ，卫竺一 一 一 一 。 “ 。 ， 。 一， 。 ， 。 。 ， ‘ 。 。— 一卜一 ‘ 三竺一 一 一一 … 一兰生里二竺 一 」 一 兰。 …里竺 。 ， 。 八 。 入 —竺二 兰 多 二 二 一 卫 洲 匕 一竺 丝 竺一 些 一 」 一 — ， 。 。 ， 一 二 “ 一 丹 ， ， 。 。 ‘ ‘ ‘ 上 ‘
130 悬臂梁试验指出，在每隔12小时增加 D 弯矩8.05g.m的特殊加载方式下，现行工 110 艺D状态的寿命为84小时。B状态比它差， 说明不烘烤是不行的。D状态延长烘烤时 90 间，性能不断改善，烘烤8小时寿命延长 为114小时，再延长烘烤时间，性能改善不 多，8小时可能是一个可取的烘烤时 间。 50 两次退镉重镀的I、K状态，性能比D 状态差得多。I、K须延长烘烤时间至14.5 2468101214161820一 小时，性能才能和D状态相同。I、K如果 烘烤时间（小时） 烘烤22.5小时，则和D状态延长烘烤时间 图15悬臂梁试验tp和烘烤时间的关系 到22.5小时性能相同。可见退镀或多次退 镀是可以允许的，如果烘烤充分，其质量是可以控制的。 如果把D状态的烘烤时间由2.5小时延长到8小时，则能承受的弯矩由60.5增加到84.6 kg.m,提高39.8%，退镉重镀的试样，要达到同样的性能水平，烘烤时间须延长到~20 小时（图15）。过去停用待查的369件枪机体，除已经发现开裂的9件以外，其余已存放两 年以上，如果再烘烤20小时，检查并无裂纹，安全是有保证的，可以使用。 240叶 CH 200 160 120 80 (b) ■ 2 150h 21 (wddM) 正 (c) 90r 02468101314161820 70 8 12160 烘烤时间（小时） 烘烤时间（小时） 图16定氢试验结果 图17钢中氢浓度CH'、 (金)，K1:c与拱鸡时间的关系 78
护 ， 产厂 户乡， 一 一一丫月 烘烤时间 小时 悬臂梁试验指出 ， 在每隔 小时增加 弯矩 。 的特殊加载方式下 ， 现行工 艺 状态 的寿命为 小时 。 状态 比它差 ， 说明不烘烤是不 行 的 。 状态延长烘烤 时 间 ， 性能不断改善 ， 烘烤 小时寿命延长 为 小时 ， 再延长烘烤时间 ， 性能改善不 多 ， 小 时可 能是 一 个 可 取 的 烘 烤 时 间 。 两次退锅重镀 的 、 状态 ， 性能 比 状态差 得多 。 、 须延长烘烤时间至 。 小时 ， 性能才能和 状态相同 。 、 如果 烘烤 小时 ， 则和 状态 延长烘烤时间 到 小时性能相 同 。 可见退镀或多次退 ，代口‘升 介︺八︺甘 台令君︶ 图 悬臂梁试验 和烘烤时间的关系 镀是可 以允许的 ， 如果烘烤充分 ， 其质量是可 以控制 的 。 如果把 状态的烘烤时间 邮 小时延长到 小 时 ， 则能承受 的弯矩 由 增加到 ， 提高 ， 退福重镀 的试样 ， 要达到 同样的性能水平 ，烘烤时间 须 延 长 到 小时 图 。 过去停用待查 的 件枪机体 ， 除已经发现 开裂 的 件以外 ， 其余已存放两 年以上 ， 如果再 烘烤 小时 ， 检查并无裂纹 ， 安全是有保证 的 ， 可 以使用 。 乃炭︸。﹀已。。 “ ︵、工忍比 一 — ， 一 一 件 ‘ 声 ， 一 甘 一 … 、 二二 ‘ ‘的 ，甘刀 八曰﹄ ‘ ，占 ，一八甘勺 赵淡洲泳拱︺噢任 了 一 一 一 二 脚晚纽， 胜侧城动﹀︵琴 户义‘ 之一 ‘ 才言 落落 布 丽亩亩有俞 烘烤时间 小时 图 定氢试验结果 侧理城任蛾 沐八︶尸。 烘烤时间 小时 图‘ 钢 中氢浓度 ” ‘ 、 帐 ·“ ” 烤时间的关系
为了研究在烘烤过程中氢的分布的变化规律，做了定氢的工作。试样为中6×14的圆 柱体，在北京重型机器厂协作下使用了Leco公司的RHIE定氢仪，测定了钢和镀层中总的 氢浓度CH(Wppm),然后在含Cr03280~300g/11,H,SO12me/1和HNO318me/1的 水溶液中退镉，测定了钢中氢浓度HH(WPPm),最后计算出镀层氢浓度。试验结果如 ◆ 图16所示，定氢分析指出，试样中总氢量随着烘烤时间的延长仅有缀慢下降的趋势，说明 致密镉层不易脱氢，用最小二乘法将图16(b)定一直线， CH=-0.061t+2.932 镉层富氢，短时烘烤反而使钢中氢浓度增高，烘烤~2小时达到极大值，然后随着烘烤时间 的延长钢中氢浓度下降。与之同时，镉层中氢浓度向相反的方向变化。这些结果，和文献 报导一致，也和本文滞后破坏试验一致。即钢中氢浓度C和( da dt/ 变化趋势一致，而和 Kee的趋势相反（图17）。 三、结 论 1,高强钢开裂是装配应力和镀镉渗氢引起的滞后破坏现象。 2。镉层富氢。致密镉层排氢较难，在烘烤过程中，试样总氢量下降较慢，矩时间烘烤 反而使钢中氢量增加，在约2小时时达到蜂值，然后随着烘烤时间的延长，钢中氢量下降。 烘烤过程中，镉层氢浓度和钢中氢浓度向相反的方向变化。 3。现行工艺一次镀辆烘烤2.5小时，材料性能的安全系数太小，如果装配过盈量增大 或镀镉海氢较多，就可能在零、部件薄羽处引起氢致滞后破坏。为了改进质量，烘烤时间 延长至8小时可以使安全性显著增加。 4。由于烘烤不充分，退镉重镀或多次重镀渗入的氢量可以系积起来，使材料性能更 差。退镉重镀后需要烘烤约15小时，性能才能和现行工艺相当，烘烤20小时才能和一次镀 镉烘烤8小时相当。 5。停用待查的部件，已存放两年以上，如果再烘烤20小时，检查并无裂纹，可以启用。 6。球松镀层，排氢效果较好，如果增加铬酸盐处理等工序，提高疏松镀层的耐海水 腐蚀性能，可考虑在海运上应用。 林实副教授在选题及拟定试验方案的过程给予关注。试验过程中，长安机器厂领导， 治金科、理化室、411和626车间的同志给予很多帮助。理化室的宋坤生主任，杨素华、宋 隆富等同志，检验科的于长珍同志参与了工作部署和实验工作，谨致谢意。 参考文献 [1]P.N.Adler al.(1975) 698 [2]R.J,HWanhill et al,(Metal Finishing)73 (1975)32 [3] V.N.Kudryovtsev et al.(Trans.Inst,of Metal Finishing)50 (1972) 223 「4]褚武杨、林实、王枨、田中卓《断裂韧性测试》科学出版社(1980) 79
为 了研究在烘 烤过程 中氢 的分布的变化规律 ， 做 了定 氢的工作 。 试样 为小 的圆 柱体 ， 在北京重型 机器 厂 协作 下使用 了 。 公司 的 定氢仪 ， 测 定了钢和镀层 中总 的 氢浓 度 。 然后在含 八 ，， ‘ 和 的 水溶液中退锡 ， 测定了钢 中氢浓度 “ 最后计算出镀层级浓度 。 试验 结果 如 图 所示 ， 定氢分析指 出 ， 试 样中总氢 量 随着烘 烤时间的延长仅有缓慢下 降的趋 势 ， 说 明 致密锅层不 易脱 氢 ， 用最小二乘法将 图 定一 直线 ， 一 福层富氢 ， 短时烘烤反而使钢 中氢浓 度增高 ， 烘烤 小时达到极大值 ，然后 随着烘 烤时 间 的延长钢中氢浓度下 降 。 与之 同时 ， 锅层 中氢浓度 向相反 的方 向变化 。 这些结果 ， 和文献 报导一致 椒 和本文滞后 破坏试验一致 。 即钢 中氢浓度 、 和 擎、 变化趋势一致， 而和 华， 一 从 ， 山 ， ‘ ，甲人 ’ ‘， 卜， 拱中‘ ” 吟 臀 从 。 ” 卜 ， 一 ‘ 二 供满 一月 “ ” ‘ “ 胡 入 一 ， ” ” ” ” 。 。 的趋 势相反 图 。 三 、 结 论 。 高强钢 开裂是 装配应力 和镀福渗氢引起的滞后 破坏现象 。 福层富氢 。 致密福层排 氢较难 ， 在烘烤过程 中 ， 试样总氢量下 降较慢 。 矩时间烘烤 反而使钢 中氢量 增加 ， 在 约 小时时达 到峰值 ， 然后 随着烘烤时间的延长 ，钢 中级量 下降 。 烘烤过程 中 ， 搞层 氢浓度 和钢 中氢浓度 向相反 的方 向变化 。 现行工艺一 次镀福烘烤 小时 ， 材料性能的安全系数太小 ， 如果装配过盈量增大 或被福渗氢较多 ， 就可 能在零 、 部件薄弱处 引起氢致滞后 破坏 。 为 了改进质量 ， 烘烤时间 延长至 小时可 以使安全性显著增加 。 由于烘烤不 充分 ， 退福重镀或多次重镀渗入的氢量可 以累积起来 ， 使材料性 能 更 差 。 退福重镀后 需要烘烤约 小 时 ， 性能才能和现行工艺相 当， 烘烤 小时才能和一 次被 锅供烤 小时相当 。 停用待查 的部件 ， 已存放两年 以上 ， 如果再烘烤 小时 ， 检查并无裂纹 ，可 以启用 。 疏松镀层 ， 排氢效果较好 ， 如果增加铬酸盐处理等工序 ， 提高硫松镀层 的耐 海 水 腐蚀性能 ， 可考虑在海运上应 用 。 林实副教授在选题及拟定试验方案 的过程 给予 关注 。 试验过程 中 ， 长安机器厂领导 ， 治金科 、 理化室 、 和 车间的 同志给予很多帮助 。 理化室 的宋坤生 主任 ， 杨素华 、 宋 隆富等同志 ， 检验科的王 长珍 同志参与了工作部署和 实验工作 ， 谨致谢意 。 参 考 文 献 。 。 。 《 》 。 。 》 。 。 褚武杨 、 林 实 、 王 帐 、 田 中卓 《 断裂韧性测试》 科学 出版社 。 ‘ ， 自上 一工 〔 〕
The Relation Between Degssing Baking Treatment and Fracture Taughness of Cadmium-plated High-Strength Steel Tian Zhong zhuo,Lu Rong bang, Chang Xiag rong,Xiao Jimei,Feng Yi jing Abstract The cadmium plated high-strength steel 35CrMnSiA was studied using mo- dified WOL and cantilever beam specimens.The hydrogen content in cadmium coating was determined as well as the content in steel.The cadmium plating is enriched with hydrogen.The degassing at 200C through bright,nonporous coa- ting is very slow.Hydrogen content in the stcel increases first during baking and reaches its maximum at about 2-2.5 hours,then decreases slawly.The de- layed fracture properties of the steel depend on its hydrogen content.When the hydrogen content in steel is at its maximum,the KIscc of the steel reaches its minimum and da/dt reachs its maximum.In order to improve the mechanical prorepties,its necessary to take a prolonged degassing baking treatment, 80
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