QStE700TM钢是一种700 MPa级具有良好冷成型性能的高强结构钢，广泛应用于制造汽车大梁、横梁、汽车桥壳等结构件，生产过程中多采用酸洗工艺。前人研究表明，高强结构钢后续加工过程以及服役过程中均存在氢原子渗入的可能[11,12]，氢原子进入钢基体后，会在钢中扩散与富集，并与位错、空位、晶界以及夹杂物、碳化物等缺陷发生交互作用，形成氢压、降低表面能、金属原子结合能和促进局部塑性变形等方式导致材料提前失效。一般材料在失效前无明显特征，会导致严重的经济损失和安全隐患[13~15]，且材料强度越高，其氢脆敏感性往往越大[16]。因此，开发汽车用高强结构钢必须考虑其氢脆敏感性[17]，尤其是在表面氧化皮处理去除过程中，各种表面处理方法对钢材表面状态影响不同，进而会对后续钢材的氢脆敏感性有着较大影响。研究表明，酸洗处理后，会增大材料的氢脆敏感性[18]；干式抛丸处理后，试样的最表层能够显著降低氢的进入，从而提升材料的抗氢脆性能[19]；而EPS处理对材料氢脆敏感性的影响还鲜有报道，因此对其展开研究具有重要意义。
本文采用预充氢慢速率应变拉伸结合电化学氢渗透实验研究了EPS、酸洗和干式抛丸3种表面处理工艺对QStE700TM高强结构钢氢脆敏感性的影响规律及机理，为EPS方法在热轧高强结构钢表面氧化皮去除工艺中的应用和推广提供理论依据及数据支持，以实现绿色制造与绿色应用的有机融合。
1 实验方法
图1
图1
QStE700TM高强结构钢板显微组织照片
Fig.1
Microstructure image of QStE700TM high strength structural steel plate
图2
表1 不同表面处理QStE700TM板材力学性能及要求
Table 1
| Sample | Rp0.2 / MPa | Rm / MPa | δ / % |
|---|---|---|---|
| Pickling | 756 | 819 | 17.1 |
| EPS | 728 | 849 | 18.5 |
| Blasting | 762 | 838 | 16.7 |
| Standard | >700 | 750~950 | >10 |
采用ERNST TWIN型洛氏硬度计，依据GB/T230.1-2018分别对3种不同表面工艺处理后QStE700TM板材的表面洛氏硬度(HRBW)进行测量，实验采用直径1.5875 mm的硬质合金压头。
采用iXRD型X射线残余应力测试仪，依据GB/T7704-2017对3种表面工艺处理后QStE700TM板材表面的残余应力进行测量，被测钢板样品尺寸500 mm(轧向) × 1400 mm(横向)，测试点均匀分布于钢板上表面，呈九宫格布局，可表征残余应力在轧制方向和横向的残余应力分布。仪器工作电压20 kV，电流4 mA。实验中采用圆形φ2 mm准直管，靶材为Cr，Cr Kα辐射线，钒箔滤波片。衍射晶面取(211)，此时应力常数K = -318 MPa/(º)。负值表示压应力，正值表示拉应力。
采用Quanta FEG 450场发射扫描电镜(FESEM)观察了3种不同表面工艺处理后QStE700TM钢板表面形貌，冷镶后进一步对3种试样的截面进行观察，并配合能谱仪(EDS)进行成分分析。
采用INSTRON 8801型万能试验机，在室温下对充氢前、后的3种表面工艺处理的QStE700TM板材进行慢应变速率拉伸(SSRT)实验，所有拉伸试样均为横向取样(试样纵轴垂直于轧向)，尺寸如图3所示，拉伸速率为10-4 s-1。通过氢脆敏感性公式计算不同表面处理后板材的氢脆敏感性IHE:
图3
图3
氢脆敏感性测试试样
Fig.3
Dimensions of specimens used in hydrogen embrittlement susceptibility test (unit: mm)
其中，δH、δ0分别为试样充氢和未充氢的断后伸长率。
充氢方式采用电化学充氢，充氢溶液为持续除氧的0.1 mol/L H2SO4 + 0.56 g/L Na4P2O7混合溶液，充氢时间为6 h，充氢电流密度为10 mA/cm2，充氢时只对试样中间标距段进行两面充氢，其余部位均用703硅胶覆盖隔绝溶液，实际充氢面积为15 mm(部分标距段) × 6 mm(试样宽度) ×2(试样两面充氢) = 1.8 cm2。
根据所测氢渗透动力学曲线运用公式如下计算得到氢扩散通量(J∞L，mol·cm-1·s-1)，有效氢扩散系数(Dapp，cm2·s-1)，以及阴极侧次表面氢浓度(c0，mol·cm-3) 3个氢渗透动力学参数：
其中，I∞为饱和阳极电流密度，A/cm2；L为实测试样厚度，cm；F为Faraday常数，96485 A·s·mol-1；A为充氢面积，本文为1 cm2；tL为滞后时间，s。
2 实验结果
2.1 不同表面工艺处理钢试样表面形貌观察及成分分析
图4
图4
QStE700TM钢经不同表面处理后的表面形貌及EDS分析
Fig.4
Surface morphologies and EDS analysis results of QStE700TM steel samples with different surface treatments: (a) pickling, (b) EPS, (c) blasting
图5为QStE700TM钢3种不同表面工艺处理后钢板截面SEM及点扫描EDS分析。由图可知，酸洗、EPS和干式抛丸工艺处理后钢板材试样表面氧化皮最大厚度分别为2.7、5.8和11.5 μm。EPS板氧化皮厚度处于酸洗和干式抛丸工艺之间，与表面形貌观察结果一致。此外，截面氧化皮点扫描EDS分析结果表明，酸洗处理后，钢板表面氧化皮中除O、Fe元素外，还有少量Mn、Si等元素，说明酸洗处理后氧化皮成分复杂，这可能与酸洗液成分有关。
图5
图5
QStE700TM钢经不同表面处理后的截面形貌及EDS分析
Fig.5
Cross-section morphologies and EDS analysis results of QStE700TM steel samples with different surface treatments: (a) pickling, (b) EPS, (c) blasting
2.2 不同表面工艺处理钢试样表面残余应力分布
图6给出了3种不同工艺表面处理后，QStE700TM钢试样在不同方向上的残余应力。可以看出，EPS处理后钢试样表面残余应力在两个方向上均呈现出负向压应力的现象，且在-150~-300 MPa范围内波动；酸洗处理后，钢试样表面存在着最小的残余应力，但其0°方向上为负向压应力，90°方向上为正向拉应力，残余应力数值大小均低于100 MPa；干式抛丸处理钢试样表现出最大残余应力，且均为负向压应力，在-280~-480 MPa范围内波动。
图6
图6
不同表面处理后QStE700TM钢板不同方向残余应力
Fig.6
Residual stresses in the 0° (a) and 90° (b) direction of QStE700TM steel plate with different surface treatments
2.3 不同表面工艺处理钢试样表面硬度分布
经3种不同表面工艺处理后，QStE700TM钢试样表面硬度分布如图7所示。不难看出，3种钢试样自身的硬度分布均匀，波动范围仅为5 HRBW；3种钢试样中以EPS工艺处理的硬度最低，但与硬度最高的干式抛丸处理试样表面差异不大。
图7
图7
不同表面处理后QStE700TM钢的洛氏硬度
Fig.7
Rockwell hardness values of QStE700TM steel with different surface treatments
2.4 不同表面工艺处理钢试样的氢脆敏感性
图8给出了3种不同表面工艺处理后QStE700TM钢充氢与未充氢试样的应力-位移曲线。从曲线上读取及计算得到的拉伸性能Rp0.2、Rm、δ和IHE结果列于表2。结果表明，充氢后，酸洗和干式抛丸工艺处理钢试样的强度均有所提升，而EPS工艺处理钢试样强度却有所下降；在塑性上，3种工艺处理后的钢试样均表现出不同程度的下降，进而呈现出不同的氢脆敏感性。经计算表明，酸洗和干式抛丸工艺处理的钢试样氢脆敏感性分别为20.8%和28.6%，EPS工艺处理的钢试样氢脆敏感性最低，仅为8.1%；相较酸洗和干式抛丸，其氢脆敏感性分别降低了12.7%和20.5%。可见，EPS工艺处理钢试样表现出最小的氢脆敏感性，这可能与其表面状态不同有关，将在后面详细讨论。
图8
图8
经不同表面工艺处理后充氢与未充氢QStE700TM钢的应力-位移曲线
Fig.8
Stress-displacement curves of QStE700TM steel with different surface treatments before and after hydrogen charging
表2 经不同表面工艺处理后充氢与未充氢QStE700TM钢的拉伸性能
Table 2
| Sample | Rp0.2 / MPa | Rm / MPa | δ | IHE |
|---|---|---|---|---|
| Pickling | 713.9 | 785.0 | 30.8% | 20.8% |
| Pickling-H | 763.6 | 826.6 | 24.4% | |
| EPS | 743.5 | 788.5 | 32.0% | 8.1% |
| EPS-H | 732.6 | 766.5 | 29.4% | |
| Blasting | 797.15 | 900.1 | 22.0% | 28.6% |
| Blasting-H | 826.2 | 877.9 | 15.7% |
2.5 不同表面工艺处理钢试样的氢渗透动力学曲线
图9
图9
经不同表面处理工艺后QStE700TM钢的氢渗透曲线
Fig.9
Hydrogen permeation curves of QStE700TM steel with different surface treatments
表3 经不同表面处理工艺后QStE 700TM钢的氢渗透动力学参数
Table 3
| Sample | L / mm | I∞ 10-6 A·cm-2 | tL / s | J∞L 10-12 mol·cm-1·s-1 | Dapp 10-6 cm2·s-1 | c0 10-6 mol·cm-3 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Pickling | 1.04 | 0.793 | 6204 | 0.854 | 0.291 | 2.935 |
| EPS | 1.21 | 0.861 | 7036 | 1.080 | 0.347 | 3.112 |
| Blasting | 0.96 | 2.390 | 1301 | 2.378 | 1.181 | 2.014 |
3 分析与讨论
3.1 不同工艺处理对QStE700TM钢表面状态及力学性能影响
对于不同表面处理工艺，酸洗主要是通过化学药剂与氧化铁皮发生化学反应达到去除残留氧化物的目的，对钢材没有施加任何外力作用。EPS工艺使用精炼钢砂(大小在0.3~0.71 mm)和水混合物，并辅以防锈剂等，对钢材表面氧化物残留进行喷射处理[22]，对钢材施加了较小作用力；而干式抛丸通过对板材表面喷射0.2~3.4 mm的弹丸(多数设备喷丸直径大于1 mm)，达到去除钢材表面氧化物残留的目的，此工艺会对钢材表面施加较大作用力。
3.2 不同表面处理对QStE700TM钢板材氢脆敏感性的影响
氢脆是H进入钢中导致材料塑韧性和强度下降，使材料从内部失效的一种失效方式，与H在钢表面的吸附、渗透以及H在钢基体中的扩散、捕获和聚集有关[23~25]。氢脆敏感性是用来表征材料发生氢脆倾向的参数，在本研究中，所研究钢试样基体状态不变，仅仅是表面状态发生了改变，因此不同表面处理工艺对QStE700TM钢板材氢脆敏感性的影响主要与H在钢板表面的吸附和渗透有关。充氢后，酸洗和干式抛丸处理钢试样抗拉强度提升(表2)是由于H在进入钢基体后，会存在于晶体间隙中，阻碍位错运动，使位错更易塞积，引发局部加工硬化，最终表现为材料强度增加，塑性降低[26]。EPS工艺处理钢试样充氢后强度降低则符合氢促进局部塑性变形理论[27]，该理论认为H在进入钢基体后，会促进钢中局部位错的产生和运动，使得钢中局部产生位错塞积进而导致应力集中，与此同时，H还会降低Fe-Fe键的键能[28]，当位错塞积导致的应力集中和降低的Fe-Fe键的键能相同时，材料会在低于其服役强度的条件下提前失效。
一般而言，对于干式抛丸处理钢试样，一方面因较大的负向残余压应力[29]，另一方面因表面较多的氧化物残留使氢原子更容易结合成氢分子析出，进而使渗入钢中的氢原子减少[30]，二者协同作用会对干式抛丸处理钢试样氢脆敏感性产生有利影响。然而，充氢后，干式抛丸处理钢试样却表现出最大氢脆敏感性(表2)，这和理论推测不相符，推测可能与干式抛丸导致钢板表面形成了大量尺寸较大的弧形凹陷有关。一方面，凹痕底部的应力集中更易形成氢吸附和渗透的位点，能捕获更多氢原子[31]；另一方面，凹痕底部硬化会降低塑性变形能力，二者协同作用导致干式抛丸钢试样呈现出更大的氢脆敏感性。此外，氢渗透结果也进一步证实了这一推测。干式抛丸处理钢试样较酸洗和EPS处理钢试样有着更大的J∞L、Dapp和更小的tL和c0，表明了H在其表面有着更强的渗透能力和渗透速率。干式抛丸钢试样表面的凹坑处存在着明显的应力集中，形成氢吸附和渗透的位点，促进了H进入钢中，当这些应力集中的位点被吸附H占满时，干式抛丸钢试样表面较大的残余应力和较多的氧化物残留会阻碍其表面其余位置处H的吸附和渗透，从而导致其氢渗透动力学曲线在达到峰值后又显著降低，后逐渐趋于平衡(图9)。EPS工艺处理钢试样因存在负向压应力而表现出较小的氢脆敏感性，仅为8.1%，在完全可以接受的范围。酸洗处理钢试样表面存在正向拉应力，加之酸洗过程中预先引入了部分H存在于钢中，从而表现出比EPS处理更大的氢脆敏感性，为20.8%。相较传统的干式抛丸和酸洗，EPS在钢材除鳞方面，有着明显的抗氢脆优势。可以为扩大高强钢、先进高强钢等的实际应用和提升结构件安全性方面，提供了一种全新、可靠的表面除鳞工艺，这对于促进汽车轻量化发展和降低钢铁行业碳排放等具有重要意义。
4 结论
(1) QStE700TM钢经3种表面工艺处理后，EPS处理后钢试样表面有少量氧化铁皮残留，截面氧化皮厚度介于酸洗和干式抛丸处理之间。
(2) QStE700TM钢经EPS和干式抛丸处理后，表面因存在不同大小压应力而出现不同程度加工硬化和残余应力水平，分别为-150~-300和-280~-480 MPa；而酸洗处理存在均低于100 MPa残余压应力或拉应力，均不影响钢板工程应用。
(3) QStE700TM钢经EPS工艺处理后，因具有较小的J∞L和Dapp以及较大的tL和c0，从而表现出良好的抗氢脆敏感性能；相较酸洗和干式抛丸处理，分别降低了12.7%和20.5%。综合考虑，EPS可为先进高强钢提供一种全新、可靠的和低碳环保的表面除鳞工艺。
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