（莱钢品质保证部特钢物理室）

摘要：对45钢力学拉伸试验后试样的内部组织结构及断口的全面分析，认为钢中存在较高含量的氢是造成钢材脆性断裂的主要原因。

关键词：45钢；拉伸试验；氢脆；氢含量

经转炉冶炼－LF炉精炼－连铸－热装热送轧制成材后的45钢，取样进行力学性能试验。经过普通的正火处理后的拉伸试样在力学拉伸试验后拉伸试样断面几乎没有收缩，长度方向上的延伸率也很小。这种现象呈批量性并且是断续出现的，但该钢材在低倍检验过程中，并没有发现异常的缺陷。为此，技术人员从冶炼、连铸、轧制等工艺参数上进行了比较和研究，没有找到引起这种力学塑性指标偏低现象的确切原因。笔者通过对45钢力学拉伸试验后的试样断口进行高倍观察和能谱分析，认为钢材内部含有较大量的氢是引起这种现象的主要原因。

1 试验与分析
1.1 成分和氧含量分析

取5炉次力学塑性指标偏低的钢材试样进行了成分和氧含量分析。结果表明，该5炉次钢材试样的成分符合国标要求，氧含量均在25×10^-6左右。
1.2 金相组织观察

对试验后的试样进行金相组织观察，发现试样组织正常，晶粒大小适中，带状组织正常。
1.3 夹杂物检验

对试验进行非金属夹杂物检验，结果表明，钢材中的非金属夹杂物分布较均匀且弥散，不超过2级。但有少量的大颗粒、不变形夹杂物。这种夹杂物与基体之间的界线清晰，呈不规则的轮廓，尺寸在300-700μm之间，属于外来夹杂物。如图1所示。对这些外来夹杂物进行能谱分析，表明这些不变形的夹杂物为以Al₂O₃为主外来夹杂物。

1.4 断口分析

在拉伸试样的断口截面上，无规则地分布着许多大小不一的灰白色斑点，如图2所示。对这些斑点进行电镜观察，发现该斑点的灰白部分均呈现出与氢引起的脆性断口相类似的组织形貌，而断口上的其它部位组织呈解理组织结构，细密地分布着大小不一的韧窝。如图3所示。

从图3（b）可以看出，斑点边缘到中心部位，组织由韧性的韧窝状态组织逐渐过渡到脆性的解理组织。图3（c）表明了最中心部位是完全的解理组织。在断口的除斑点中心部位的其它组织均为正常的韧窝组织，如图3（d）。
1.5 能谱分析

对多个斑点进行了细致的成分分析，在整个斑点区域内部未发现有其它与钢材基体成分相异常的元素存在

2．分析与讨论

2.1 由断口的宏观形貌和大量的试验结果可以看出，在断口上存在的灰白色斑点是引起钢材脆性断裂的主要原因。

2.2 在拉伸断口上形成灰白色斑点的原因通常有两种原因：一种是夹杂物为核心触发的“鱼眼”^[1]；另一种是由于氢的聚合所触发的氢脆。由能谱分析多个斑点成分可知，斑点中心部位不存在夹杂物，在夹杂物检验过程中出现的大颗粒夹杂物并不是斑点的中心起缘。从中心部位单纯的脆性解理织构，与氢引起的脆性断裂形貌极为相似^[2]。

2.3 在拉伸过程中，由于试样受到外力，拉伸力一方面能叠加到氢压引起的应力上，同时还可以促进氢原子的扩散。另外，内应力也可协助氢压力使裂纹产生和扩展，故内外应力的存在能促使氢原子向材料内部缺陷或空隙界面扩散、集聚，形成氢分子。由于氢分子在钢中无法扩散，逐步在聚集处形成巨大氢压，当这种压力导致的应力超过钢的断裂应力时，首先形核，进而形成裂纹^[3]。低倍试样白点裂纹与拉伸白点断口，它们的形成机理有所不同。前者的氢致裂纹仅仅依赖氢压或氢压和来自于材料的各种内应力的叠加，后者属于外加应力诱发所致。当氢含量达到一定的量时，虽然在钢材轧后冷却过程中不能形成白点，但在拉伸外力的作用下，能够在局部聚集产生点状的氢脆裂纹源。

3．试验验证

将存在白色斑点导致钢材脆断的缺陷的钢材进行以下试验验证：一方面在同一支钢材上取多个试样，每隔一段时间后逐一进行拉伸试验。结果表明试样在常温条件下放置一个月后，试样在拉伸过程中不再发生脆性断裂。另一方面，对试样进行退火处理，发现经过退火处理后的试样也在拉伸过程中不再发生脆性断裂。这两个试验也充分地证实了钢中氢存在是导致钢材韧性降低的主要的原因。

4．结论

钢材中存在较高含量的氢，其含量不足以在轧制冷却过程中形成白点，但在拉伸外力作用下，能够在局部聚集产生点状的氢脆裂纹源，导致钢材脆性断裂。