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摘要：化工机械由于长期在高温等环境下工作，因此对机械损伤较大，影响机械正常工作且减少机械使用寿命。因此对化工机械用金属材料脆化损伤进行研究，通过实验的方式对不同材料机械用金属材料进行实验，通过分析后针对成分对金属材料脆化损伤影响、组织结构对金属材料脆化损伤影响以及晶体结构对金属材料脆化损伤影响三个方面进行分析，找到其脆化损伤的主要影响因素，为提高化工机械性能提供可靠依据。
关键词：化工；机械；金属；脆化；损伤
引言
化工机械设备由于工作环境较为特殊，因此在机械用金属材料上需要其具有较好的耐高温、耐强酸、耐压力等性能，对材料硬度与耐磨性也有着较大的要求。化工机械用金属材料在日常机械运行过程中会对材料表面造成脆化磨损，增加机械故障发生几率且减少机械使用寿命。因此对化工机械用金属材料脆化损伤进行研究，找到其脆化损伤的主要影响因素。
1金属材料脆化行为研究现状
国外对钢配套焊材的强韧化机理及抗回火脆性进行了深入研究，得到系列科研成果。经过几十年的不断努力，能够生产钢的焊材厂家越来越多，主要有日本神户制钢所公司、奥钢联伯乐蒂森公司、法国萨福公司等。在国内加氢装置制造中，具有代表性的钢进口焊接材料，应用最为广泛的应属日本神钢公司生产的焊材。国产的钢各项性能已达到了较高水平，在国内板焊式加氢反应器等重要设备上得到大量的应用，基本实现国产化并大量出口到国外。该类钢制加氢反应器用配套焊材主要有主壳体Cr-Mo钢用系列焊材和内壁堆焊用不锈钢系列焊材，目前加氢反应器内壁不锈钢堆焊用系列焊材经过多年研究，从冶炼技术、制备技术等多个方面提升，已非常成熟并得到广泛应用[1]。但是钢主体系列焊接材料的开发远远滞后于不锈钢堆焊材料，大量依靠进口，因此开发适用加氢反应器用的钢焊接材料非常紧迫和必要。我国上世纪80年代后期开始研究钢用焊材，先后开发出部分焊材如焊条R407H、焊丝H13Cr2MolA、焊剂SJ603及后来锦州天鹅焊材(集团)股份有限公司开发的R407A焊条等。但随着加氢反应器工况越来越恶劣，设计方对其制造提出了更好的要求，如某项目中提出-38℃冲击功大于等于54J，步冷试验评定回火脆性时脆化量系数提高到3，并且要求结果小于等于0℃等。国内现有R407焊条不能满足低温冲击韧性要求和抗回火脆性要求，另外在大批量生产时，其冲击韧性的稳定性与国外同类别焊接材料存在一定差距，限制了其使用[2]。因此，该类焊材国产化进程仍有大量工作需要完成。就纯镍而言，纯镍具有良好的力学性能和耐腐蚀性能、优良的塑性加工性能和焊接性能及特殊的物理性能(高的导热导电性能、低的含气量和低的蒸发压)等特点，而被广泛应用于电子电气部件、石油化学工业、食品工业、航空航天和军工部件等领域。近年来，纯镍的研究多集中在热加工工艺优化、组织细化处理、耐腐蚀性能等方面。张兵等人在纯镍热变形的基础上构建其本构方程，为纯镍热加工工艺制度的确定提供了技术支撑。黄卓笑等人采用深滚处理对纯镍组织进行了表面纳米化处理，该变形工艺使得纯镍表层组织演化形成超细晶的同时还存在着一定厚度的残余压应力场。刘斌等人针对深海环境下纯镍的腐蚀行为开展系统研究，研究结果对提升纯镍耐腐蚀性能具有较好的指导作用。Ghosh等人借助高压扭转技术将纯镍表层组织细化至100nm左右。CABIB-BO等人对比研究了纯镍经过等通道角挤压复合高压扭转变形后晶粒细化机制和硬度饱和机理，表明两者耦合相对于单一变形方式能更有效提升纯镍的晶粒细化程度和硬度。JONS-SON等人研究了高温下纯镍在KCl溶液中的微观组织演变过程，结果表明，氧化镍呈近似抛物线的生长速率，在氧化物/金属界面上存在着一些致密的小孔。夏天东等人对比研究了电沉积镍和轧制镍的微观组织和力学性能，结果表明，电沉积镍成分、显微组织以及力学性能均优于轧制镍板的[3]。上述研究工作均是在纯镍具有优异塑性的前提下进行的，鲜有文献报道纯镍出现脆性的现象。虽然镍为面心立方晶体结构，通常情况下不会发生脆性断裂，然而，在某些因素下，如热处理不当或在特殊的使用环境下，纯镍也有可能发生脆性失效，氢元素可导致金属镍发生脆性断裂，除了氢元素之外，还有没有其它元素也可引起金属镍的脆性断裂?本文研究在某化工机械使用过程中发现了金属材料脆化现象，基于这一现象的特殊性，本文对此进行系统研究，以探讨金属材料脆化的原因以及引发脆性的途径，对纯镍的工程化应用中出现的问题辨证提供技术支撑和实验依据。
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2实验方法
化工机械在工作过程中的高温、振动等因素作为导致机械用金属材料脆化损伤原因，因此准备尺寸为300mm*150mm*20mm的不同材料试板三个。试板单边破口为22.5°，根据间隙为12mm~13mm。分别将试板放入液压振动深孔钻床上，以转速为960r/min的喷吸式麻花钻进行切削后对材料表层进行观察。随后将试板坡口与垫板堆焊三层用实验焊条进行填充后，接通140A电流，道温为250℃~300℃，焊后回火温度为760℃，4h后随炉冷却到400℃后出炉。
3结果分析
对三个试板进行处理后，用线切割的方式从样板上取约0.4mm薄片，制成金属薄膜试样，利用JEM-2010型透射电镜进行组织结构观察。针对三种金属熔敷金属化学成分与不同化工机械用金属性能比较进行比较。
4化工机械用金属材料脆化损伤原因分析
4.1成分对金属材料脆化损伤影响
化工机械用金属材料脆化损伤程度的不同主要取决于金属材料本身。在众多化工机械用金属材料中合金相对于其他单一金属材料来说有着更好的性能，而合金材料随着合金成分的改变而呈现出不同的性能。化工机械用金属材料在改变其合金元素后能够在一定程度上改善材料脆性，而金属材料中杂质达到一定含量时，会使材料性能大大降低。
4.2组织结构对金属材料脆化损伤影响
针对金属材料脆化损伤原因分析过程中，组织结构对于金属材料也有着极大影响。金属材料在稳定情况下具有极好的韧性与塑性等环境抗力，这主要由于金属材料中的分子成分对氧的溶解度较快，在这一过程中减少孔隙原子的有害作用。不同的化工机械用金属材料憨头不同量的晶粒，而含有晶粒较少的金属材料其性能较差。含有粗大晶粒较多的金属材料会拥有较好的断裂韧性，但延展性较差。在研究过程中可以发展，通过对金属材料中的晶粒进行细化，能够全面提高金属材料组织延展性且增加其断裂韧性，也就是能够通过加工减少片层组织长达速度，从而获得一种性能更加优越的化工机械用金属材料[4]。
4.3晶体结构对金属材料脆化损伤影响
化工机械用金属材料由不同的晶体结构组成，每种金属的晶体结构都有着理想的配比，而当结构中一种原子含量增加会对整体材料性能造成影响。金属材料晶体结构中能影响材料脆化损伤的主要因素为轴比与单胞尺寸。金属材料晶体结构中轴比与单胞尺寸的减少都会让材料脆性有着极大改善。单胞尺寸的减少会使材料结构中位错柏氏矢量酱烧，从而降低材料位错线能量，增加其变形可能性。而金属材料晶体结构中的轴比变化与其中原子尺寸有关，对材料强度有着关键影响。
结束语
在对化工机械用金属材料脆化损伤进行研究过程中，通过对不同化工机械用金属材料进行试验，从而对影响金属材料脆化损伤原因进行分析。不同金属材料在加工使用过程中都有着各自的优缺点，因此在对不同材料的机械化工使用中需要针对其材料的优缺点进行不断调整。研究主要针对金属材料共同性能进行研究，对发现的结论进行集中利用，为提高化工机械性能提供可靠依据。
参考文献:
[1]杨元庆,吴开斌.加氢反应器材料脆化损伤模式及其研究现状[J].化工机械,2015,42(6):750-753.
[2]耿雪峰.化工设备常用金属材料加工工艺论述[J].中国机械,2015(8):181-183.
[3]Fe、Ni金属单质与Fe-Ni金属纳米多层膜的辐照损伤机理研究[D].南京航空航天大学,2015.
[4]佚名.核聚变装置中钨材料损伤行为的研究进展[J].稀有金属材料与工程,2018,v.47；No.384(07):316-322.
论文作者:张艳丰,吴东波,张大勇
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/30
标签：金属材料论文; 损伤论文; 脆性论文; 材料论文; 化工机械论文; 性能论文; 晶粒论文; 《防护工程》2019年第4期论文;