关于钢铁脱碳和氢脆的原因分析及其实例

摘要 本文分析了钢铁脱碳和氢脆的两种原因，结合破坏的板簧﹑拨叉及一个高压蒸汽管的腐蚀实例，给出了相应的预防对策，即形成鳞片状组织以减缓脱碳，高压蒸汽锅炉用管子在焊接时，应该防止过热和生成焊瘤，以减少氢脆的发生。

关键词 脱碳；氢脆；合金化；焊瘤

中图分类号 TG356文献标识码 A文章编号 1673-9671-（2012）101-0141-01

钢材表面层脱碳会引起损坏事故，其原因往往是由氧或水蒸气及二氧化碳之类含氧气体引起的。反应生成物是一氧化碳，这种反应在钢的表面进行，消耗的碳由内部向表面扩散供给，不过，含湿气的带氢的弱氧化性气氛中脱碳反应困难，是因为生成了鳞片状组织，脱碳反应生成物一氧化碳无法向外排除。因此，脱碳反应相当缓慢，消耗的碳量与时间的平方根成正比，和温度之间没有简单的对应关系，这是因为C在γ-Fe中扩散系数小于同一温度下α-Fe中扩散系数。因此，由脱碳反应消耗的碳量在扩散系数与浓度梯度乘积最大的800度达到最大量，超过800度，进入γ区域，又逐渐减少，以后，随着温度的上升，再次上升。

不仅脱碳层深，而且组织也很重要，脱碳组织与其形成的温度有关。在α+γ区域加热保温，往往最表面是α-Fe，这种状态对低碳钢称为完全脱碳，越过α+γ区域，在γ区域开始脱碳时，是含碳量逐渐减少的铁素体，称为不完全脱碳。

呈柱状晶的纯铁素体的表层除特殊情况外很难出现。因为，一般使用的强氧化性气氛中，因为有鳞片状组织，在α区域较低温度下不会发生脱碳，这样的表层结构即呈柱状晶的纯铁素体的表层在只有在γ区域狭小的合金钢（如α-Fe在高温稳定的硅弹簧钢）中才可以看到，即在弱氧化性气氛中，鳞片状组织难以生成或没有生成的地方可以看到。

从以上叙述的事实可知，在弱氧化性气氛中低温加热时，不形成鳞片状组织会有助于脱碳，脱碳是不希望的。箱式炉退火或保护气体中软化退火常常具备这个条件。因此，为了阻止脱碳，在强氧化性气氛中即空气中加热，形成鳞片状组织确实是个好办法。

对裂纹造成的损伤事故进行调查和研究发现，什么时候，在什么样工作过程中能产生裂纹是很重要的，为此，裂纹边缘的组织可以给我们以启示。如果在整个裂纹上全部脱碳，这个裂纹就不是淬火裂纹，应该更早，最迟是淬火前加热保温初期。在淬火或调质材料中，若严重的脱碳从很宽的外部一直扩展到封闭的裂纹内部，恐怕这就是淬火裂纹，比如轧制褶皱为起点发生的情况。

表面脱碳也可以说是一种事故。由于表面层脱碳，表面层的硬度﹑耐磨性﹑脆硬性，特别是弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度大大降低。但是，塑性值不会降低。淬火时，脱碳层内γ→α相变提前发生，导致变形和裂纹的内应力的生成。奥氏体系的锰钢工具及结构钢表面脱碳后，由于局部马氏体的生成，产生组织应力而变脆，因此，往往发生开裂破坏。

脱碳引起疲劳破坏的例子如下：某调质后拉伸强度达1270 N/mm2的汽车板簧发生了破坏。破坏是在断面小的地方由于很多疲劳裂纹造成的，大部分疲劳裂纹从板簧上侧开始产生。板簧心部组织是很好的细针状组织，没有铁素体，可是表面有脱碳，再没有别的缺陷。最终断面很小，所以负荷不高，破坏是脱碳造成的。

另一个由于脱碳而造成的破坏的例子是：由铅浴淬火拉出的9毫米弹簧钢丝制作的往复干草递送机的拨叉，往复了15000次后破坏了，而通常情况下，它的寿命应该在40000次以上。观察其断口，分为疲劳断口和终断口两部分，前者光滑，是从受力最大的内侧表面开始扩展的，后者有撕裂状的延性断裂。除去漆皮，可见断面附近有许多裂纹，把这个裂纹强制破坏，结果同疲劳开裂的一样，对拨叉次品进行金相分析结果表面：损坏的拨叉表面有脱碳，而正品的拨叉无脱碳或只有一点点。

但是，还有另外一种形式的脱碳，是由氢引起的。在大气压下的干燥氢在1000度以上的温度下具有脱碳效果，但是，在氨合成及其他添加工业氢流程中采用的高压下，在200～300度的温度已经开始脱碳，这时的反应产物是甲烷。脱碳不仅仅在表面进行，凡是在压力下析出生成甲烷的地方，都会发生脱碳。例如，即使是在晶界，也会发生。钢中的氢非常活泼，因为碳的扩散距离短，所以被氢侵蚀的速度由脱碳反应速度来决定。此速度依存于碳化物的稳定度。在压力作用下析出的甲烷使晶界扩展，使材料的结合状态破裂。因此，氢致脱碳或氢脆性在金相学上和氧或水蒸气引起的表层脱碳明显地不同。为了引起裂纹生成，只需置换微量的碳就足够了。在温度低碳扩散较慢时，在金相上能看到脱碳之前发生氢脆。细心研磨后，在未进行腐蚀的研磨面上，能确实地看到这种场合的氢脆，因为如果使用硝酸对晶界进行腐蚀，则被晶界的微细裂纹遮盖而不外露。受氢侵蚀的零件的断裂面的特征是暗灰色，不仅强度，塑性值也会明显地降低。发生氢脆的条件是使用含结晶水的熔盐电解以及过热的水蒸气和钢的反应，后者的反应在570度开始，并且在铁原子的周围按照下式进行：

3Fe+4H2O→Fe3O4+8H

氢原子的聚集会发生氢脆，所以，在钢中添加与碳牢固结合的铬﹑钼﹑钒﹑钛等合金元素使钢合金化，从而能阻止氢脆。其道理是消除对组织不稳定的铁的碳化物，使钢只含有稳定的特殊碳化物，则可获得对于氢脆完全稳定的钢。

下面是一个由高压蒸气引起的脱碳及氢脆的实例：某锅炉燃烧室后壁的管子群（100 atm），使用4年半后，在管子圆周的焊缝上看到孔或槽状的腐蚀。根据用户的报告，管子的温度达到了400度，粘着在孔上的蓝黑色腐蚀生成物和覆盖管子内面的红色被膜明显地不同。焊缝被从内侧显著损害，焊缝被厚的且象是将要剥离的铁的氧化物覆盖了，这种覆盖物比在管子外侧表面生成的氧化铁层更厚，虽然腐蚀也扩大到相邻的焊接热影响区，可是在管子材料的晶粒成为正常大小的地方，即极准确的停止。在非常粗的奥氏体晶界，氧化相当深地进展到钢中，并且，内侧区域脱碳。腐蚀的程度，在纵断面上，随着远离焊缝而减弱，在横断面上，随着远离点状腐蚀的地方而减弱。可以认为，在焊缝及其附近的粗晶粒晶界发生的显著局部腐蚀的原因是，由于容易剥离的焊接氧化铁皮，在焊缝上产生的螺旋形焊瘤的阻碍效应，阻止了粘着的保护被膜层的生成。由于氢脆的结果而产生裂纹，从而重新出现被氧化的表面，因此促进氧化铁皮的生成，所以侵蚀到管子的深部。因此，为了预防高压蒸汽锅炉用管子的脱碳和氢脆，高压蒸汽锅炉用管子在焊接时，应该防止过热和生成焊瘤。

本文讨论了两种形式的脱碳，一种是由氧或水蒸气及二氧化碳之类含氧气体引起的，反应生成物是一氧化碳，这种反应在钢的表面进行。另一种是由氢引起的，在氨合成及其他添加工业氢流程中采用的高压下，在200～300度的温度钢材已经开始脱碳，脱碳和氢脆结合在了一起。无论哪种原因及形式的脱碳，都是不好的，都是我们所不希望的，都会对材料的一些机械性能指标造成负面影响，甚至是很大的下降，应该有针对性地采取措施，进行预防和控制，以减少事故的发生。

参考文献

[1]机械零件和钢铁材料事故例集[J].机械工业出版社.

[2]钢的热处理[J].冶金工业出版社.

[3]金属工艺学[J].高等教育出版社.

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