李志义^1，2，李晓澎^1，2，校平¹，刘远波¹

（1.重庆义扬机电设备有限公司,重庆  400042; 2.重庆长江工业炉公司, 重庆  401329;）

前言：我们希望从事自然科学研究时，多多考虑一下“环境效应”我们认为失效分析的研究应该在产品设计时，提前进入视线。也就是预防为主，而不应该是失效了，生病住院再来失效分析。而且那种事后失效分析，有的举例在我们看：知其一而不知环境效应带来的未知数。

环境效应：初略用下图表示

关键词：环境效应、失效分析，服役如初的寿命。

1、钢的纯度、偏差度：

1.1世界**品牌德国SEW减速机公司，原材料的订货：要求氢含量≤2PPm氧含量≤20PPm

   夹杂物：氧化物≤1级，硫化物≤1级，而我们兵器用的枪炮钢，氧化物≤1.5级，硫化物≤1.5级，二者之加≤2.5级。

   原材料在冶炼浇铸：推荐用真空抽气（脱氧脱氢），电磁、震动搅拌，连铸连轧，电渣重熔等方法来减少材料的杂质、偏析。均考虑了环境效应带来的效果。

由于各种原因、原材料状态不理想需要进行高温均匀化处理、等温正火处理。

真空冶炼、电渣重溶，以及目前国内外原材料在冶炼范畴内的环境效应。

1.2原材料的氢脆和白点

   在炼钢过程中钢水中的氢和氧、硫会形成氧化物、硫化物、氢化物和H2分子。H+H→H2在局部形成107大气压（美国学者），而对H2+S形成H2S，引起压力增大没有成熟的研究数据（有待后人去研究），俄罗斯学者认为白点的形成不单是H+H→H2，他们检验到H2S的存在。并且在白点的壁周也检测也FeS存在,特别对在镍的钢还检测到NiS的存在，因此俄罗斯学者对保护气的硫含量要求在0.5mg/m3。以下，水份要求-40℃（露点），（当年重庆建设集团引进俄罗斯150m3/h具有一定还原性天然气制氮全套设备）。如果是氢而形成的白点，经锻打高温等温正火后，能够焊合。而有硫化物形成的白点以致于裂纹也能焊合并形成断链椭圆状夹杂物。

   我在交流“气体渗碳淬火件的氢脆问题”这篇文章时莱钢集团张伟高工同我讲：他们也发现白点经等温正火后消除。重庆的海硕生产42CrMo钢5～9拐船用曲轴，经我指点将调质前的正火温度提高并延长1小时来解决白点问题。（该厂调质用直接淬火的水基淬火介质为重庆义扬的创新，产品销

往国内外。）

2、原材料的轧锻状态的环境效应

由于天然气广泛加热应用：天然气未经净化处理直接用来对钢材加热；然后进行轧制或锻造。

2.1城市用天然气标准

热处理用天然气标准

现标准GB17820-1999《天然气技术要求》，热处理参照Ⅱ类（见表1），规定含硫（无机硫）量≤20mg/m3，有机硫不作要求。有些热处理工作者认为现有气源已达国家标准。在重庆地区经我们十多年检测，结果是波动的。波动范围：有机硫30—248 mg/m3、无机硫10—78 mg/m3，气矿脱硫设备已几次发生故障。为保证城市用气总硫高达1100 mg/m3。文献[1]的相关内容中专门讲述含硫量越低越好，但未提“水份”（水份也应越低越好[2、3]）。天然气另一渗碳机理CH4→Cad+H2的充分发挥，使渗碳件淬火后的表面非马氏体组织大大降低（控制好的话有效硬化层深0.8～1.2可达3μm以下（浅腐蚀）。2011年5月北京三一重工（艾协林多用炉）姚东海首先发现：在风电、重载齿轮渗碳上有效硬化层2.5～3mm，晶间氧化（不腐蚀）15～20μm。表面层质量处于世界领先地位（2011年8月重庆新兴通用丰东韩伯群总工也发现类似效果，见图2）。不但避免了古老的渗碳机理（CO→Cad+CO2）一边渗碳一边氧化的过程，使渗碳速度加快，提高11%，而且渗碳件表面光亮银灰色无碳黑[2]（吸热式气氛发生器一般也不烧碳黑）、吸热式气氛中的触媒不易中毒（寿命大大提高）、氧碳头和炉底板寿命提高一倍以上，重庆机床厂使用24年净化效果还很好，艾协林设备从未大修，获得可观的经济效益。

GB17820-1999规定，民用天然气或称城市用天然气为I和II标准。III标准当H2S≤20mg/m3，也允许使用(见表1)。 

图2

重庆新兴通用：17CrNiMo6风电齿轮在丰东BBHG-5000预抽真空多用炉上进行“2.5mm渗碳+淬火+回火”处理后，实测晶间氧化（不腐蚀）深度为16.52μm（美国企业标准≤40μm）

2.2我们曾于重庆XX锻造厂，接洽其它事情；该厂技术人员介绍采用天然气直接加热带来的能源节约1/2～1/3。“节能”我讲天然气中有：有机硫、无机硫、汞。你们不怕渗硫、渗汞服役寿命如何？回答为：反正是摩汽车配件，而不是飞机配件。回忆当年我在296厂主管我国95式5.8mm枪族材料：热处理及失效分析（*早为89式，该枪族是目前世界上*先进的轻武器）时就坚决主张采用工频、中频或电炉加热后再进行锻造（我一讲军代表大力支持）

  这个关卡一定要把好：我国自行设计的5.8mm自动步枪（要保证高温、低温、常温；也就是服役环境效应，打靶服役如初寿命（XXXXX发）该枪族是能在这个世界上处领先地位。（在研制过程中特别是低温寿命，经常在低温寿命XXXX发时，发生XX，XX零件的崩牙现象，有一次工厂某副总工主持分析会：某副总讲：这是我们自行设计的枪族，达不到XXXXX发寿命就改寿命为XXXX发，我讲要研究分析崩牙原因，暂不改。军代表非常高兴。*终完成为XXXXX发寿命就定型投产装配部队。

2.3燃油加热炉、加热后锻造（上海某厂：处理蒙乃K500合金阀盖）采用非精炼提纯的油：含有大量的有机硫和无机硫。在锻造加热过程中同样存在渗硫、渗氧、渗氢的环境效应。

3、淬火钢件的前处理：等温正火

等温正火设备：有些厂采用天然气直接加热，而不是采用辐射管的辐射加热，天然气同样不净化处理。不考虑未净化的天然气使工件除渗氢外，还渗氧、渗硫、渗汞。

等温正火处理，一般采用950℃，温度低效果差

等温正火：改善魏氏组织，原始晶粒均匀，应力状态，带状偏析，合金元素偏析，夹杂物形态；由条状变为断链椭园状，氢含量下降，夹杂引起的裂纹，对锻造引起的组织损伤或裂纹有愈合作用（俄文为焊合；合金元素多焊合时间增长）*终可获得良好的切削性，且畸度小，性能提高，（零件长期服役下的尺寸稳定性提高）。这种状态下的材料使以后从事表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂现象均有减缓作用。

重庆某厂为降低渗碳淬火件表面层非马氏体组织，我们与他们交流指出，采用天然气直接加热的天然气未经净化处理等温正火毛坯件一律不要；你们一定要把关。

4、气体渗碳淬火的环境效应

4.1 氢脆问题：气体渗碳淬火件必然在渗碳淬火时渗氢，对其氢脆问题，我已撰写文章

4.2渗硫问题：世界各国已统一认识，气源含硫越低越好[1]

4.3渗汞问题：我想没有好处，只有坏处。由于我们的发明专利，天然气净化设备已将汞净化为零，因此没有继续做深入的研究。

4.4关于气体渗碳件表面层非马氏体组织形成的原因和防止措施，本人有论文：

“再述渗碳淬火件表面层非马氏体组织形成的原因和防止措施”[2]

有些厂家采用Rx气氛，由天然气未净化或者净化不好，在其生产的初期Rx气氛发生器中的裂解剂是氧化镍主要组成，具有一定的脱硫效果，给人们有假象热处理质量还马马虎虎。但不久效果越来越差，打开看裂解剂中毒有炭黑，炉膛内还有黄色粉状物（黄色粉状物是由硫化物、汞化物组成，在渗碳炉膛内发现黄色物质，附着在炉膛内壁粘得很牢，这就是硫化物和汞化物。（天然气中汞含量有的地区达到200多mg/m3重庆地区汞含量一般在100 mg/m3以下）,见图3

图3

国内某厂天然气未净化处理，炉膛内产生的黄色粘附物（炉灰，硫含量:0.1%,铁含量31.3%,汞未化验）

俄罗斯的学者在研究天然气渗碳淬火中的氢脆问题时发现H2S出现在空穴中MnS、NiS出现在空穴的表面层。因此我们在引进俄罗斯的天然气放热式设备流程中两次脱硫要求硫含量特别低0.5 mg/m3以下。

Rx中的裂解剂由于S化物和汞化物的形成使裂解剂裂解效果下降外，使裂解中的镍组成的多孔形状，发生体积膨胀，粘接松驰而碎化。这样裂解剂的服役寿命大大下降。因此不少设备厂家规定烧碳黑，当然也有脱硫、脱汞的作用。

Rx发生器的不锈钢因硫和汞的渗入并形成硫化物，汞化物而发生断裂，断口为亮晶块断口，银亮点。（65年我们研究天然气末净化通入自行设计的75KW无马弗罐、振底炉。电阻丝Cr20Ni80,发生亮晶块断口，银亮点锉刀也锉不动，金相组织为马氏体。这奥氏体→马氏体相变，除用氢压说（氢→晶间的偏聚使压力增大，奥氏体在应力的作用下→马氏体相变）和减弱内聚力机理（氢→晶间的偏聚使奥氏体内聚力减弱→奥氏体失稳→马氏体相变）来解说外，我想还与硫、汞有关，耐热钢的振底炉板出现如图2的视观。当年炉灰分析为：硫化铁、氧化汞）

特别要注意：保护气中硫含量和汞含量，国内相当多的单位已开始重视硫，同时也开始了解硫的渗入加速了氢和氧的渗入，不知汞的危害。采用天然气、丙烷、甲醇（重庆地区丙烷、甲醇由天然气制造需制造厂家硫含量的稳定控制）甲醇发黄就是这原因之一。含硫高还能引起渗碳过程中的腐蚀坑的形成，当然含硫越低越好。[1、2] 

5、丙烷气的净化：（脱除丙烷气中有机硫、无机硫、水、汞、石油，净化指标和净化剂服役寿命如天然气净化）

太重陈进磊和艾协林谢周贵2012年6月发现：工艺方法不变，丙烷净化后，有效硬化层深3.0晶界氧化（不腐蚀），*厚22.3μm，*低9.5μm，（美国企业标准≤40μm）表面质量处于世界领先地位。丙烷耗量节约30%。避免了多冲性能、疲劳性能下降，使持久服役性能大大提高，避免潜在的重大事故发生。 

图4

6、*后工艺的环境效应：

  包括表面处理、磨削液、磨削砂轮等请看 [4]

7、应用的环境效应：（举例）

氢脆断口主要是沿晶走向，这些晶界面上有撕裂棱或有细小的凹坑对有些钢。氢可以促进断裂。典型的氢脆断口，即冰糖状沿晶断口。晶间面比较光清。有细小的发纹线，随着试样心部的深入，逐渐转变为沿晶十准解理的混合断口（图4）。在试样心部，则显示韧窝断口。氢脆断口随材料种类的不同而不同。在钢中明显地依赖于强度等级，一般对低强度等级材料来说，断裂是穿晶的。而对高强度等级的材料来说，则具有沿晶断裂的倾向。一般讲：热处理后的结构钢出现的氢脆断口为晶间断裂。

1976年M、M、ШBEд等[3]在研究自然环境下38CrSi，高强度螺栓（桥梁用的）断裂时分为4区： 

图5 断裂的形貌分布区

Ⅰ区、断裂基本上是沿晶的

Ⅱ区、晶间断裂参混有韧性

Ⅲ区、改变了沿晶脆性断裂特征。并参加韧性。

Ⅳ区、结束区，这区域很快就断了。

在低的变形速度下，试样沿截面不均匀的断裂特征与可以在钢中不均匀氢分布（氢的偏聚）有关以及裂纹成长速度的改变。不均匀的氢分布（氢的偏聚）有所发展，由于阴极渗氢，氢浓集偏聚在表面的结果。能认为氢在表面层导致晶间减弱。并沿着晶间发展成裂纹，沿着裂纹的成长到试样的深度（Ⅱ区）氢浓度下降，包括在这个阶段裂纹的发展由于自滑移而减缓，这种在晶粒间断裂进行减慢的部分（遭遇韧性区域）终于达到大的长裂纹（Ⅳ区）。

7.1在航天：（空间环境与空间材料相互作用的基础理论研究。主要包括真空、低温、热循环、太阳电磁辐照、带电粒子辐照、原子氧、空间粉尘与空间碎片等环境因素与航天器所用材料（光学材料、太阳能电子材料、热控涂层材料、电子材料、天线材料、胶接密封材料、减磨耐摩材料、防热绝缘材料、结构材料、薄膜材料等）作用的损伤理论，性能演化理论、寿命预测理论与防护理论及技术。）、材料必须经过太空的模仿空间实验室试验

7.2海水中的环境效应的寿命考核：海洋气候、深海深度、深海中的H2S气体的腐蚀。

     引进俄罗斯的舰艇用武器：要求镀镉或渗锌处理某些零件。国内现将类似渗锌为主的金属防绣技术的一种称达克罗处理。即先将零件浸入锌液然后进入300℃炉内使锌铝进入钢件的内部获得防腐性能提高。

7.3高温、常温、低温寿命考验

   二战中：德国在莫斯科城下：天气-30℃下，德国坦克履带车辆、火炮、步枪枪栓机油凝固不能活动，同时不少机械零件-30℃以下发生低温脆断。而苏军生产了大量为严寒条件下作战的T-34型坦克。

7.4我有机会去某高强度螺栓上参观交流。他们采用大型网带炉连续线：五条.保护气采用高炉煤气，我同他们讲：煤气中有水、有机硫、无机硫、汞等。他们加热过程必然渗氢、渗硫、渗汞、渗氧。你们均不考虑用在汽车、摩托车上反正断了换一个。哪一天用在飞机上、桥梁工程上、核电设备上不出大事故？（重庆菜园坝长江大桥所使用的螺栓均为瑞士“喜利得”公司提供）

7.5江西XX高强度标准件厂使用我公司PAG淬火液两条生产线，采用甲醇做保护气，淬火液由碱性变成酸性：PH值由8-9下降到5左右。（我公司销售的甲醇净化设备在江西格特拉克已应用4年）

甲醇如图5、图6

从图6的沉淀物看，不仅是有机硫（一般有机硫为漂浮状，手摸沾浮而且臭），而且有汞化物（因比重而沉淀）该甲醇是由天然气制造一般含总硫6mg/m3左右，有可能厂家将制造的甲醇又用来脱天然气中的有机硫、无机硫、汞、水。再销售于市场。

我们同他们讲：此高强度螺栓，绝不能销售航空、航天、高铁、飞机、核电等。因为该产品已渗氢、渗氧、渗硫、渗汞。氢于硫结合出不来的[3]

8、目前国内搞生产的、搞设计的、搞采购的，有相当一部份人员缺少环境效应的“警悟”。这个非常重要的思路，质量的稳定性、可靠性、持久性，在使用环境下的服役如初的寿命。

9、环境效应中的经济效益和误区

9.1目前国内外自然环境污染引起效益，人们已有认识。但对工业产品生产改善环境后提高产品质量，获得直接的经济效益。已有不少单位认识。例如利用天然气净化的设备的厂家。由于用气量下降20%，能源节约20%生产效率提高11%，设备维修大大下降，一般9个月就收回全部投资等一系列经济效益。

9.2市场上采购部门购买机械零件时：一般具备一般性的机械性能和低温Ak合格即可。而不了解依据我们零件的使用状态和不同环境状态下的性能。

   9.2.1渗氢、渗硫、渗汞、渗氧零件，对一般的机械性能考核不敏感。需用一定能量下的多冲（小能量多次冲击）和慢拉伸强度来检验和作为考核指标。

   9.2.2模拟实际零件使用状态下的寿命试验。例如：自动步枪上的复进簧，采用喷丸强化处理，丸粒崩裂引起复进簧划痕，使寿命显著下降。

9.3目前市场上有各式各样的天然气净化设备。例如：天然气加气站的“净化”设备是脱无机硫和水；有机硫、汞均未净化，找天然气公司分析硫是合格的。所谓合格也是按天然气汽车加气站的标准分析的。实质根本没有分析有机硫和汞。有的经我们说明白了，才知道他们是为了某种利益在忽悠大家。

参考文献

[1]樊东黎主编，机械工程标准手册[M]热处理类《机械工程标准手册》2003（4）：264

[2]李志义、马学文、蒲玲、向书胜、李晓澎，再述渗碳淬火件表面层非马氏体组织形成的原因和防止措施[J]齿轮传动2001（6）79-86，又进行修改待刊登

[3]李志义编辑：钢的氢脆和应力文化馆断裂译文集（M）中兵四川省第五机械工业局科技工业局科技情报中心站（重庆）1979.3

[4] 李志义、李晓澎：渗碳淬火件磨削裂纹形成的原因和防止措施[J].国外金属热处理，2005.26（1）46