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JournalofChinaInstituteofTechnologyVol.29-2003.12氫誘裂對高張力鋼機械性質的影響AstudyonMechanicalPropertiesofHydrogenInducedCrackingHighTensionSteel溫東成*、許正勳**、施議訓****中華技術學院機械系副教授**大同大學材料所教授***桃園農工職業學校實習組長摘要本研究探討LPG球槽常用之SPV-50Q高張力鋼板長時期使用後的顯微組織及韌性變化。研究過程針對SPV-50Q鋼板原材及受到氫誘裂的球槽已用材，分別取垂直與平行於裂縫方向之試片，進行破裂韌性測試，並輔以抗拉試驗及衝擊試驗，以瞭解受到氫誘裂後SPV-50Q鋼材的機械性質變化情形。實驗結果顯示，原材受力方向與滾軋方向垂直時，拉伸強度、衝擊韌性、破裂韌性皆低於受力方向和滾軋方向平行者，受劣化後之鋼材，垂直和平行滾軋方向的拉伸強度與破裂韌性值則相差不大，說明受到氫誘裂後之鋼材，機械性質有一定程度劣化，此時其滾軋方向已不是影響破斷之主要因素。關鍵詞：氫誘裂、高張力鋼、破裂韌性AbstractThisresearchistostudythefracturetoughnessbehaviorofSPV-50QhightensionsteelinLPGpressurevessel.Theas-receivedSPV-50Qsteel,aswellasthesteelthathasbeensubjectedtohydrogen-inducedcracking,willbeinvestigated.Theorientationofthefracturetoughnessspecimenwillbeselectedsuchthatthefracturepathwillbeverticalorparalleltotheexistinghydrogen-inducedcracking(HIC)paths.Tensiletestwillbeperformedaswelltosubstantiatethefracturetoughnessdata.ItishopedthatatthecompletionofthisresearchtheextendofdeteriorationinthemechanicalpropertiesoftheLPGSPV-50QsteelvesselbeforeandafterHICattackwillbemoreclearlyunderstood.Thiswillprovidesomevaluabledatebaseformaterial-93-氫誘裂對高張力鋼機械性質的影響safetyinLPGpressurevessel.Keywords：Hydrogen-InducedCracking,HighTensionSteel,FractureToughness一、前言近年來，由於經濟效益的考量，SPV-50Q高張力鋼板逐漸被廣泛應用於大型壓力容器以及輸油管路的建造，如液化石油氣體（LPG）球槽[1]。針對LPG球槽，其內容物常含有濃度不等的硫化氫(H2S)，會因鋼材腐蝕，而引起構造物裂縫的產生，在高壓力作用下導致破裂，造成人員傷亡和對環境的嚴重污染[2-4]。因此SPV-50Q球槽材料在受氫誘裂(HIC)效應後，其破裂韌性劣化程度如何，是值得探討的問題。雖然LPG球槽鋼板很厚，但對巨大直徑之結構體而言，應力設計方面仍屬薄殼(Thin-Shell)應力分析的範疇。一般應力分析，均假設材料是無裂縫的，然實際的應用狀況，不全然符合假設條件，而必須輔以考量有裂隙預存及應力交互作用之破裂韌性特性，才較具實值之意義。因此，本研究乃採用新/已用兩種LPG球槽SPV-50Q鋼板為實驗材料，並依鋼材之平行滾軋方向(L-T)與垂直方向(T-L)加工成試片，然後進行金相觀察及破裂韌性等機械性能試驗，以瞭解此鋼材在長期壓力容器下使用後，顯微組織及韌性的變化。二、實驗方法2.1實驗材料本實驗材料採用新/已用兩種SPV-50Q高張力鋼板，分別取自材料商及中油公司所汰換之鋼材，其輝光放電分析儀(GDOS)分析所得的化學組成如表1所示。2.2金相觀察金相試片完成研磨及拋光等金相前處理後，以5﹪Nital試液進行浸蝕，再以光學顯微鏡觀察其顯微組織，並藉以判別L-T及T-L方向。2.3試片加工與機械性能測試依金相觀察所得之結果，定出L-T與T-L方向，然後進行C(T)試片、衝擊試片及拉伸試片之加工。硬度測試使用日製AKASHIVickers硬度試驗機進行測試，荷重為50kgf，以-94-JournalofChinaInstituteofTechnologyVol.29-2003.12求得硬度值（HV）。每一試片測試五點後求其平均值。拉伸試驗依ASTME-8M[5]規範製作平板狀拉伸試片，試片尺寸如圖1所示。實驗以MTS動態萬能試驗機來進行，拉伸負荷速率設定為每秒出力10kgf。衝擊試驗依ASTME-23[6]規範，選用Charpy試驗法，製作V-Notch衝擊試片。破裂韌性試驗依ASTME-399[7]及ASTME561規範[8]製作CT試片(如圖2所示)，然後利用MTS動態萬能試驗機進行破裂韌性試驗，以求取破裂韌性值。2.4破斷面觀察以掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸、衝擊及破裂韌性等試片之破斷型態，作為實驗結果之佐證。三、結果與討論3.1金相觀察圖3為原材與已用材試片在L-T及T-L方向之金相組織，新/已用兩材料均有夾雜物及析出物的產生，但由圖3中可清楚比較出已用材之夾雜物及析出物呈帶狀分佈且緻密，其原因為長期在氫氛圍使用，氫會優先的聚集於孔洞、差排、夾雜物、析出物等缺陷處[9]，氫原子便易在內部結合成分子產生內壓力而造成機械性質的劣化。此外，經由XRD繞射分析可得知新/已用材皆具有以肥粒鐵相為主之基地組織，如圖4所示。3.2機械性質表2為本研究針對SPV-50Q新/已用材進行各項機械性質測試所得之數據，分別說明如下：3.2.1硬度分析表2數據顯示已用材之硬度值均低於新材，其原因可能為已用材試片長時間受到氫脆效應之影響，基地上有較多的非金屬夾雜物析出所造成。而就滾軋方向而言，新/已用材在L-T及T-L之硬度值差異性皆不大。3.2.2抗拉強度及延性由表2可得知，已用材之抗拉強度(545~568MPa)均低於新材(670~764MPa)，此乃因材料經長期使用後，氫存在於鋼板中，造成孔隙之成核成長，故降低了抗-95-氫誘裂對高張力鋼機械性質的影響拉強度，同理，延性方面亦有明顯的劣化情形(21.7%→12.9%)。在新材方面，(L-T)方向之抗拉強度，高於(T-L)方向者，這是由於滾軋後之鋼材因加工硬化的效應，使得晶粒變長且差排的增殖作用，故差排的滑移會遭遇到較多的阻礙所致。3.2.3衝擊韌性新材之T-L方向衝擊韌性值高於已用材，而L-T方向之衝擊韌性值差異性不大，其原因為在較高之應變速率下，裂縫來不及成長串接，故主要的影響因素為基地組織中非金屬夾雜物析出所造成之帶狀織構。另一方面，兩材料之T-L方向之衝擊韌性值皆遠大於L-T方向，其原因為平行滾軋方向之夾雜物相當於在試片內部形成一線缺陷，因而造成試片在受到動態衝擊時，會沿著此一路徑快速的傳遞，故會造成衝擊韌性值偏低之現象。3.2.4破裂韌性由於SPV-50Q材料為一韌性佳之鋼材，故本實驗以25mm厚度試片測試結果經核算後所求出之KQ值皆不能符合ASTME-399之規範（B≧2.5(KQ/σy)2及Pmax/PQ≦1.1之條件），故改以ASTME-561求取該厚度之Kc值，以下討論皆以Kc值來做探討，雖然無法求出此材料之KIC，但在實際應用時，此厚度下的破裂韌性應更具有實用之價值。表2數據顯示新材的KC值(149∼160MPa√m)高於已用材(94∼106MPa√m)，此乃因已用材受到長時間氫脆化的效應，而使其抵抗裂縫傳播之能力隨之降低。此外，滾軋方向對破裂韌性之影響方面，可以看到新材在T-L方向之KC值皆低於L-T方向，這是由於試片內部存有裂縫時，其尖端會有應力集中之現象，而滾軋方向上之非金屬夾雜物則提供了裂紋傳播之優選方位，當T-L方向時，夾雜物之方向與裂縫傳播方向一致，故會有較低之KC值；長期使用後之材料則因內部存有氫脆化所造成之孔洞及裂紋，故其結構受到劣化而顯示出更低之KC值。3.3破斷面分析3.3.1巨觀破斷面圖5顯示，破裂韌性試片之破斷邊緣因平面應力的作用，有較大的塑性變形區，故所求得之破裂韌性為平面應力破裂韌性Kc值。3.3.2微觀破斷面C(T)試片破斷面在新材方面，雖然試片邊緣皆因受平面應力的作用，而有相-96-JournalofChinaInstituteofTechnologyVol.29-2003.12當之塑性變形區，但在破斷面之起始區則可看出在T-L方向之試片仍有一脆性之劈裂面區域（圖6-(a)），但L-T方向者則大部分為韌窩狀型態，故Kc值較高；另一方面，已用材其破斷面則皆為延性之韌窩狀型態，但含有氫誘裂紋所造成之裂縫劈裂面，如圖7所示。因此可推斷SPV-50Q新材之滾軋方向會影響其破裂韌性的大小；而長期使用後，受氫誘裂之材料，其內部之微裂紋則是破裂韌性劣化之主因。四、結論本研究針對SPV-50Q鋼板原材及受到氫誘裂的球槽已用材探討其顯微組織及韌性變化，得到的結論有：1.SPV-50Q原材之抗拉強度，在平行滾軋方向較高，這是由於滾軋所造成之加工硬化所影響。2.SPV-50Q材料長期使用後的抗拉強度比新材明顯的降低，且降低幅度(25.6%)大於滾軋效應者(12.3%)，顯示氫誘裂紋之影響大於滾軋織構效應之影響的結果。3.長期使用後的鋼材，其機械性質均會降低，唯當滾軋方向平行開槽時衝擊值無大幅下降，意即當應變速率較快時，其滾軋所產生之夾雜析出物則變成破斷之主要因素。4.新材KC值(149∼160MPa√m)高於已用材(94∼106MPa√m)，此乃因已用材受到長時間氫脆化的效應，而使其抵抗裂縫傳播之能力隨之降低。長期使用後之鋼材，其疲勞裂隙傳播過程有明顯之分枝及擇優路徑。5.SPV-50Q新材之滾軋方向會影響其破裂韌性的大小；而長期使用後，受氫誘裂之材料，其內部之微裂紋則是破裂韌性劣化之主因。參考文獻1.G.M.Pressouyre,R.BlondeauandL.Cadiou,“HSLASteelsWithImprovedHydrogenSulfideCrackingResistance”,ConferenceProceedingsofInternationalConferenceonTechnologyandApplicationofHSLASteels,1984,pp.827-834.2.S.Y.TsaiandH.C.Shih,“CorrosionBetweenAcousticEmissionSignalsandHydrogenPermeationinHighStrength,LowAlloySteelCrackinginWetH2S”,J.-97-氫誘裂對高張力鋼機械性質的影響Electrochem.Soc.,Vol.145,No.6,June1998,pp.1968-1976.3.L.J.R.Cohen,J.A.charles,andG.C.Smith,“hydrogenEffectsonMaterialBewhavior”,ed.byModyandA.W.Thompson,1990,pp.363-366.4.H.K.Birnbuam,“Environment-SensitiveFractureofEngineeringmaterial”,ed.byZ.A.Foroulis,AIME,NewYork,1979,p.326.5.ASTME-8M-95a,“StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials”,1995ed.,Vol.03