回火處理對 15B30 和 15B30V 氫脆行為之影響 王翔宇 1 游振平 1 鄭達謙 1 陳宗榮 2 黃慶淵 2 楊哲人 1 林新智 1*

1台灣大學材料科學與工程學系

2中國鋼鐵公司

* 連絡作者 e-mail: hclinntu@ntu.edu.tw

摘要

本文的主要研究目的是探討回火處理對於 15B30 及合金元素添加對材料的影響以及評估

抗氫脆能力。實驗採用兩種材料:15B30 和 15B30V，經過淬火後得到麻田散鐵，強度和硬度

高達 2000MPa 和 580HV，為超高強度鋼。由於此種超高強度鋼對氫脆抵抗能力差，因此我

們進行回火處理，希望增加其延性並析出雪明碳鐵及添加合金元素的碳化物，同時增進其抗

氫脆能力。 本實驗除基本機械性質測試外，氫脆試驗系經由化學充氫至飽和後進行拉伸，量測其降

伏強度、最大抗拉強度及延展性。實驗結果發現充氫後 200℃回火處理的強度最高，破斷面

由空渦狀延性破斷轉為穿晶、延晶、劈裂的脆性破斷。並且觀察到麻田散鐵和回火麻田散鐵

組織的破斷面上許多二次裂紋，且延著原沃斯田鐵晶界破裂。隨著溫度上升至 300℃、400℃，雪明碳鐵逐漸變大，強度也逐漸降低。 關鍵字：超高強度鋼、氫脆、回火

1.簡介

工業上，由氫脆所造成的損害難以估計，

如原油的開採、運輸及電鍍工業;鋼鐵的製

造、酸洗及銲接、儲油容器和壓力容器等(1-3)，甚至於航空、核能發電工業皆受氫脆之

困擾，在近 60 年漸漸受到重視。本實驗之材

料 15B30 及 15B30V 經過淬火處理，強度高

於 2000MPa，為超高強度鋼。在工業上，超

高強度鋼具有良好的機械性質，但對於氫脆

的抵抗能力差，當其曝露在含有氫氣、硫化

氫以及水蒸氣等腐蝕性環境下(4-

8)，此材料表面會進行化學或電化學反應，更

容易將氫導入材料內部，而造成氫脆破壞，

縮短材料壽命甚至使材料破壞。一般而言，

氫的侵入會造成材料的延性以及強度降低，

產生氫致裂縫(hydrogen induced cracking)而造成永久破壞，這種現象稱為氫脆。氫脆主

要涉及三種因素:氫環境、應力和材料，本實

驗希望藉由回火處理，得到回火麻田散鐵組

織，其優異的抗氫脆能力，在學術上或工業

上已有相當多的研究(9-12)，並且廣泛應用於

工業之結構鋼材上，此外釩的微合金元素添

加(13)，使材料具有晶粒細化的作用，晶粒細

化被認為是提升抵抗氫脆能力的方法之一。

透過化學充氫和拉伸試驗，探討不同回火溫

度下回火麻田散鐵組織抗氫脆能力。此外，

利用機械性質測試和破斷面觀察來評估其抗

氫脆能力，進而了解影響氫脆的各種因素。

利用 TEM 觀察析出物形貌，探討析出物在

本實驗中對於氫脆破壞的影響。

2.實驗方法及步驟 本實驗試片15B30和15B30V由中國鋼鐵公

司提供，Table1 為合金設計。再根據 Fig.1 ASTM E8-M-03 規範做成拉伸試片。。

Table 1 材料合金設計

Fig. 1 ASTM E8-M-03 拉伸試片規範

C Mn Cr B V 15B30 0.3 1.15 0.2 0.002

15B30V 0.3 1.15 0.2 0.002 0.05

將板材利用砂輪機切成適當大小後，置於加

熱爐以真空保護加熱至 1000℃後持溫 5 分

鐘，接著水淬，接著以鹽浴爐進行回火處理

30 分，回火溫度分別為 200℃、300℃和 400℃，。 將試片栽切成適當大小後進行冷鑲埋，

並利用砂紙＃80 研磨至＃2000 使表面平整，接

著再進行拋光去除殘留刮痕。 將完成拋光的試片以維克氏硬度計測量

其硬度值。再以 5%硝酸/酒精蝕刻約 10 秒，

以 OM 和 SEM 進行顯微組織觀察。 為了觀察析出物，利用慢速切割機將試

片切至 100μm，接著以砂紙＃1200 研磨至

50μm，再利用 twin-jet 進行電解拋光，電解

液為 2%過氯酸/酒精，溫度-25℃。接著將試

片進行 TEM 分析。 將拉伸試片以＃80 研磨至＃1500，使表

面平整，接著進行氫脆試驗，將試片於

1mg /1N 、電流密度 5mA/ 進

行電化學充氫 30 分，使材料氫含量飽和，接

著立刻以油壓拉伸機進行拉伸試驗，觀察其

拉伸曲線和機械性質，接著再以 SEM 觀察其

破斷面。 3.結果與討論

將試片研磨、拋光和蝕刻後，中國鋼

鐵公司所提供的原材料為波來鐵和肥粒鐵結

構，如 Fig.3。由 Fig.4 可以發現隨著回火溫

度的提升，15B30 的顯微組織由針狀的麻田

散鐵逐漸變為回火麻田散鐵。利用 TDA 量測

充氫條件，Fig.5 發現在 30 分鐘充氫後，試

片氫含量已接近飽和，具氫含量 3ppm。

Fig. 2 15B30 未熱處理前的微結構

Fig. 3 不同溫度回火下 15B30 的 SEM 觀察

Fig. 4 TDA 氫含量分析

拉伸試驗的結果可以發現水淬的

15B30 有最好的抗拉強度，但延伸率非常

低，只有 0.04，也無頸縮現象。進行回火處

理後，強度降低，但延伸率有明顯提升，如

Fig.5。15B30V 水淬的強度相較於 15B30 較

高，因為釩具晶粒細化的效果，使材料提升

約 100MPa。

Fig. 5 15B30 拉伸曲線

化學充氫後，將試片進行拉伸試驗，發

現 15B30 和 15B30V 在進行回火處理後，在

200℃皆有最好的氫脆抵抗能力，隨著回火溫

度提升，強度下降，如 Fig.6。

Fig. 6 15B30、15B30V 充氫和未充氫之 UTS 將拉伸後的試片，利用切割機切取破斷

面，在 SEM 下觀察發現充氫前後由延性的渦

穴狀組織(Fig.8(a))變為脆性的沿晶(Fig.8(b))或穿晶破壞(Fig.8(c))。氫會使材料鍵結力破

壞，尤其是在晶界的氫捕集位置，因此材料

在充氫後轉變為脆性的沿晶或穿晶破壞。 Fig. 7 (a)15B30 未充氫破斷面(b)充氫後的沿

晶破壞(c)穿晶破壞

破斷面上巨觀可以發現充氫拉伸的試片

先於試片表面產生裂縫，並且裂縫的數量不

一定只有一個，接著裂縫沿著鏈結力最弱的

晶界成長，造成沿晶破壞，直到橫截面面積

已超越材料能承受的應力時，材料會以劈裂

的形式破斷，並且由於多個裂縫生成位置，

使得材料的破斷面有較大的起伏。

Fig. 8 (a)15B30_QT200 (b)15B30_QT300 的

破斷面觀察

充氫拉伸在 200 的回火條件下具有最高

的強度，因為 15B30 的碳含量為 0.3%，介於

中碳鋼與低碳鋼，200 回火處理後會析出，

隨著回火溫度的上升，ε 碳化物會逐漸被雪

明碳鐵取代，Fig.10 和 11 可以發現 300℃及

400℃回火處理所析出的雪明碳鐵為針狀，並

且延著特定方向，由 Bagaryatski 方位關係(14)

可以知道雪明碳雪會與肥粒鐵基地遵循一定

的方位: (211)α//(001) C [ ]α//[100] C [ ]α//[010] C

但雪明碳鐵無法如 ε 碳化物提供永久氫捕集

位置，因此 300℃和 400℃的回火條件無法使

材料具有較佳的抗氫脆能力。

Fig. 9 15B30V_QT300 的 TEM 觀察

Fig. 10 15B30V_QT400 的 TEM 觀察

本實驗同時希望能透過釩的微合金元素

添加使碳化釩析出，碳化釩的界面為不可逆

氫捕集位置，為了得到碳化釩析出溫度，將

15B30V 進行 DSC 分析，得到碳化釩的析出

溫度為 552.7℃，因此將回火溫度提高至 600℃，利用 TEM 確定碳化釩是否析出並觀察

其形貌。

Fig. 11 15B30V 的 DSC 分析

Fig. 12 15B30V_QT600 的 TEM 觀察及 EDX分析

將 600℃回火的 15B30 和 15B30V 進行

充氫拉伸後，發現 15B30 在進行回火後，對

氫脆具有非常好的抗氫脆能力，在充氫後仍

然具有延性並與未充氫之前的機械性質一

樣，而 15B30V 的碳化釩的作用因 15B30 已

經具完美抗氫脆能力而無法分析。

Fig. 13 15B30_QT600 和 15B30V_QT600 充

氫與未充氫的極限抗拉強度 將 600℃的 15B30 進行 TEM 觀察，發現

明顯的雪明碳鐵球化現象，此時的回火麻田

散鐵已經接近肥粒鐵。由充氫拉伸結果和

TEM 觀察，600℃回火由於雪明碳鐵的球化

和微結構已趨近肥粒鐵，有優良的抗氫脆能

力。

Fig. 14 15B30_QT600 的 TEM 觀察

4. 結論 1.15B30 和 15B30V 在水淬後，強度高達超高

強度鋼，利用電化學充氫 30 分鐘後拉伸的

極限抗拉強度評估其抗氫脆能力，發現其抗

氫脆能力不佳。 2.200 的回火熱處理使 ε碳化物析出，提高抗

氫脆能力，300℃和 400℃雪明碳鐵則有負

面的效果。 3.600℃的回火熱處理使雪明碳鐵球化，結構

較接近肥粒鐵，使材料具優良的抗氫脆能

力，碳化釩的效果在本實驗中因為 15B30在 600℃回火後已具極好的抗氫脆能力而

無法觀察。 5.參考文獻 1. H. Epstein, J. Chipman, and N.J. Grant,Met.

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