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.286 北京科技大学学报 第29卷 同时减缓氢原子重组氢分子的过程，使反应所析出 列的变化，这些变化直接影响着整体的使用性和可 的氢原子不易化合成氢分子逸出，而在钢的表面聚 靠性，焊缝金属在经历了一次熔化结晶过程之后形 集并且渗入钢内，富集在钢材的缺陷和应力集中处， 成粗大的柱状组织和焊接后形成的粗大鱼骨状的魏 形成氢鼓泡(HB)和微裂纹，在应力条件下促进了这 氏组织，同时也会出现偏析、缩孔、夹杂等缺陷，焊接 些微裂纹的长大和连接，形成宏观上的台阶状裂纹， 热影响区中会出现硬化、粗晶及不均匀组织，这些 断口上表现为解理断口. 缺陷都会导致金属的抗SSCC性能降低，焊后热处 表1SSRT试样脆断敏感系数 理不仅可以消除焊接过程中产生的氢，消除组织应 Table 1 Hydrogen brittleness sensitivity coefficient of SSRT samples 力，对热应力和结晶应力起到平衡缓解的作用，使应 % 力重新分布，降低其峰值，而且减少组织偏析，使焊 16Mn 16Mn(HIC) 接过程中产生的粗大晶粒减少或消失，获得回火组 母材 焊缝焊缝热处理 母材焊缝焊缝热处理 织，从而提高抗SSCC能力，由恒应变实验和SSRT 79.6480.6380.56 77.4979.91 77.49 实验结果可以发现，经过焊后热处理焊接试样的抗 SSCC能力与未经焊后热处理的焊接试样相比有不 16Mn(HIC)钢在成分上与16Mn钢相比，有更 同程度的提高·应力腐蚀开裂的应力符合Hll一 低的碳、锰含量，且大大降低了硫、磷含量，碳、锰含 Petch关系式[8]： 量降低，可以降低材料的氢脆敏感性，碳含量的降 c=0十Kd-1/2 低，使带状珠光体组织的含量减少，铁素体增加， 式中，K=[6πGE/(1-)]V2,d为晶粒直径，和 Asahi给出了钢中Mn,P元素含量不同对钢的抗 K为实验系数，G为切变模量，E为晶界能，y为泊 SSCC能力影响实验].结果表明：Mn的质量分数 松比.由上式可以看出，K与d影响应力腐蚀开裂 由0.5%增加到1.5%时，随着P含量的增多，钢的 应力o.焊后热处理可以使晶粒直径d的减小，σ将 抗SSCC能力减小；钢中Mn含量的增加，低温转变 增大，同时d减小，晶间偏析和聚合物也将减少，导 组织及MnS夹杂也相应增多，而MnS夹杂往往是 致表面积增大，从而晶界能增大，使得K值增大，致 HIC裂纹易形核的位置；P元素对SSCC敏感性的 使破裂应力增大，也就是抗SCC能力提高，从电化 影响是因为P除了形成可引起钢红脆和塑性降低 学的角度看町，焊缝及热影响区的组织不均匀，必 的易溶共晶夹杂物外，使金属增氢效果显著增加，从 然导致局部的腐蚀电位的差异，容易受到电化学腐 而也就会降低钢在酸性含H2S介质中的稳定性，S 蚀，形成蚀坑和蚀孔，如果按照SSCC开裂综合机 含量的降低，不仅改善了钢的低温脆性和晶界结构， 理]，认为裂纹的萌生是局部阳极溶解的结果，而 更重要的是大大降低了夹杂物的含量和密度，研究 裂纹的扩展受到裂纹尖端的金属增氢引起的附加应 表明[)]，当钢中S的质量分数≤0005时，硫化物夹 力的影响，那么这些蚀坑和蚀孔就会为SSCC微裂 杂明显减少，从而可以提高钢的耐蚀性、抗SSCC性 纹的形核提供了源泉，所以焊缝及热影响区可能成 能.Mn,P及MnS的增氢作用使氢浓度增加，随着 为SSCC断裂的最敏感的地方，通过焊后热处理， 氢的不断聚集，产生一定的氢内压，当压力超过某 这种组织不均匀可以得到改善，从而抗SSCC能力 一临界值时，将导致钢在腐蚀介质中萌生裂纹并扩 得到提高， 展直至断裂，16Mn钢的化学成分决定着它在酸性 含H$介质中更容易发生断裂，因此，对于低合金 4结论 钢在硫化氢环境中使用，在满足允许的条件下，应尽 (1)16Mn(HC)钢和16Mn钢及其焊缝在酸性 量选择C,Mn,P和S含量更低的材料. HS介质中均发生硫化物应力腐蚀开裂，表现为完 显微组织对钢的H2$应力腐蚀断裂也起着重 全脆性，断裂模式为穿晶型，开裂机制为氢致开裂. 要作用，在晶格热力学上，越处于平衡状态的组织， (2)16Mn(HlC)钢抗SSCC性能优于16Mn 即越能使金属内部各相达到平衡的热处理方法，就 钢，控制钢中的C,Mn,P,S的含量有利于提高钢的 越能提高材料抗HS断裂的能力[门.对于焊缝试 抗SSCC性能， 样，焊缝金属和焊接工艺影响着焊缝及其附近金属 (3)在焊接过程中，焊缝及热影响区产生的粗 的组织、化学成分和力学性能，从而决定着材料的抗 大魏氏组织、偏析、缩孔和夹杂等缺陷，造成组织和 SSCC能力，实际上，焊缝经历了从熔化到凝固的结 性能上的不均匀致使焊缝的抗SSCC能力比母材 晶过程之后，其组织和性能相对于母材发生了一系 低.焊缝通过焊后热处理可以提高抗SSCC能力，同时减缓氢原子重组氢分子的过程使反应所析出 的氢原子不易化合成氢分子逸出而在钢的表面聚 集并且渗入钢内富集在钢材的缺陷和应力集中处 形成氢鼓泡（HB）和微裂纹在应力条件下促进了这 些微裂纹的长大和连接形成宏观上的台阶状裂纹 断口上表现为解理断口． 表1 SSRT 试样脆断敏感系数 Table1 Hydrogen brittleness sensitivity coefficient of SSRT samples ％ 16Mn 16Mn（HIC） 母材 焊缝 焊缝热处理 母材 焊缝 焊缝热处理 79∙64 80∙63 80∙56 77∙49 79∙91 77∙49 16Mn（HIC）钢在成分上与16Mn 钢相比有更 低的碳、锰含量且大大降低了硫、磷含量．碳、锰含 量降低可以降低材料的氢脆敏感性．碳含量的降 低使带状珠光体组织的含量减少铁素体增加． Asahi 给出了钢中 MnP 元素含量不同对钢的抗 SSCC 能力影响实验［5］．结果表明：Mn 的质量分数 由0∙5％增加到1∙5％时随着 P 含量的增多钢的 抗 SSCC 能力减小；钢中 Mn 含量的增加低温转变 组织及 MnS 夹杂也相应增多而 MnS 夹杂往往是 HIC 裂纹易形核的位置；P 元素对 SSCC 敏感性的 影响是因为 P 除了形成可引起钢红脆和塑性降低 的易溶共晶夹杂物外使金属增氢效果显著增加从 而也就会降低钢在酸性含 H2S 介质中的稳定性．S 含量的降低不仅改善了钢的低温脆性和晶界结构 更重要的是大大降低了夹杂物的含量和密度．研究 表明［6］当钢中 S 的质量分数≤0005时硫化物夹 杂明显减少从而可以提高钢的耐蚀性、抗 SSCC 性 能．MnP 及 MnS 的增氢作用使氢浓度增加随着 氢的不断聚集产生一定的氢内压．当压力超过某 一临界值时将导致钢在腐蚀介质中萌生裂纹并扩 展直至断裂16Mn 钢的化学成分决定着它在酸性 含 H2S 介质中更容易发生断裂．因此对于低合金 钢在硫化氢环境中使用在满足允许的条件下应尽 量选择 CMnP 和 S 含量更低的材料． 显微组织对钢的 H2S 应力腐蚀断裂也起着重 要作用．在晶格热力学上越处于平衡状态的组织 即越能使金属内部各相达到平衡的热处理方法就 越能提高材料抗 H2S 断裂的能力［7］．对于焊缝试 样焊缝金属和焊接工艺影响着焊缝及其附近金属 的组织、化学成分和力学性能从而决定着材料的抗 SSCC 能力．实际上焊缝经历了从熔化到凝固的结 晶过程之后其组织和性能相对于母材发生了一系 列的变化．这些变化直接影响着整体的使用性和可 靠性焊缝金属在经历了一次熔化结晶过程之后形 成粗大的柱状组织和焊接后形成的粗大鱼骨状的魏 氏组织同时也会出现偏析、缩孔、夹杂等缺陷焊接 热影响区中会出现硬化、粗晶及不均匀组织．这些 缺陷都会导致金属的抗 SSCC 性能降低．焊后热处 理不仅可以消除焊接过程中产生的氢消除组织应 力对热应力和结晶应力起到平衡缓解的作用使应 力重新分布降低其峰值而且减少组织偏析使焊 接过程中产生的粗大晶粒减少或消失获得回火组 织从而提高抗 SSCC 能力．由恒应变实验和 SSRT 实验结果可以发现经过焊后热处理焊接试样的抗 SSCC 能力与未经焊后热处理的焊接试样相比有不 同程度的提高．应力腐蚀开裂的应力符合 Hall— Petch 关系式［8］： σ＝σ0＋ Kd —1／2 式中K＝［6πGE／（1—ν）］ 1／2d 为晶粒直径σ0 和 K 为实验系数G 为切变模量E 为晶界能ν为泊 松比．由上式可以看出K 与 d 影响应力腐蚀开裂 应力σ．焊后热处理可以使晶粒直径 d 的减小σ将 增大同时 d 减小晶间偏析和聚合物也将减少导 致表面积增大从而晶界能增大使得 K 值增大致 使破裂应力增大也就是抗 SCC 能力提高．从电化 学的角度看［9］焊缝及热影响区的组织不均匀必 然导致局部的腐蚀电位的差异容易受到电化学腐 蚀形成蚀坑和蚀孔如果按照 SSCC 开裂综合机 理［10］认为裂纹的萌生是局部阳极溶解的结果而 裂纹的扩展受到裂纹尖端的金属增氢引起的附加应 力的影响那么这些蚀坑和蚀孔就会为 SSCC 微裂 纹的形核提供了源泉所以焊缝及热影响区可能成 为 SSCC 断裂的最敏感的地方．通过焊后热处理 这种组织不均匀可以得到改善从而抗 SSCC 能力 得到提高． 4 结论 （1）16Mn（HIC）钢和16Mn 钢及其焊缝在酸性 H2S 介质中均发生硫化物应力腐蚀开裂表现为完 全脆性断裂模式为穿晶型开裂机制为氢致开裂． （2） 16Mn （HIC）钢抗 SSCC 性能优于16Mn 钢控制钢中的 CMnPS 的含量有利于提高钢的 抗 SSCC 性能． （3） 在焊接过程中焊缝及热影响区产生的粗 大魏氏组织、偏析、缩孔和夹杂等缺陷造成组织和 性能上的不均匀致使焊缝的抗 SSCC 能力比母材 低．焊缝通过焊后热处理可以提高抗 SSCC 能力． ·286· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷