脫碳的案例
詳解脫碳層的組織結(jié)構(gòu)
01
前 言
產(chǎn)品脫碳這個(gè)現(xiàn)象，相信大家在實(shí)際工作中都曾有遇到過。那么，對(duì)于脫碳過程的原理，您是否了解得很透徹呢？
本期文章整理了“脫碳”這部分的理論知識(shí)，不管熟不熟悉，大家就當(dāng)再溫習(xí)一遍吧~
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02
脫碳層的組織結(jié)構(gòu)
鋼材在脫碳氣氛中加熱時(shí)，根據(jù)其脫碳程度可以分為全脫碳層與半脫碳層兩類。
當(dāng)鋼材表面碳被基本燒損，表層呈現(xiàn)全部鐵素體晶粒時(shí)，稱為全脫碳層。圖1為共析碳鋼全脫碳層的金相組織。
圖1 共析鋼全脫碳層770℃，125X
半脫碳是指鋼材表面上的碳并未完全燒損，但已使表層含碳量低于鋼材的平均含碳量，如圖2所示。
圖2 共析鋼半脫碳層950℃，125X
脫碳層的測(cè)定方法見“GB/T 224—2019鋼的脫碳層深度測(cè)定法”中相關(guān)規(guī)定。
圖3 GB/T 224-2019 鋼的脫碳層深度測(cè)定法
對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼來說，表面脫碳是一種有害缺陷，它不僅使零件機(jī)械性能（硬度、強(qiáng)度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等）下降，在使用中發(fā)生早期失效，而且由于脫碳層中存在著很大的殘余拉應(yīng)力，往往是加工過程中造成廢品的主要因素，如表面淬火裂紋，磨削裂紋。僅對(duì)于某些硅鋼片、鉻鎳奧氏體不銹鋼等才利用脫碳來改善材料的某些性能。
圖4 沿工件外圓的弧形裂紋
脫碳層的成分、深度及組織形態(tài)，與鋼材的成分、加熱時(shí)間、加熱溫度與介質(zhì)條件等有關(guān)。
展開 表面脫碳對(duì)滲碳淬火工藝的影響
表面脫碳分為全脫碳和半脫碳，在奧氏體化過程時(shí)，全脫碳后零件表面形成鐵素體單相區(qū)，而半脫碳擴(kuò)散層呈梯度分布，過冷后形成穩(wěn)定的鐵素體和珠光體組織，脫碳越嚴(yán)重，珠光體量越少。
脫碳過程中，氧原子在工件表面聚集，并沿奧氏體晶界向晶內(nèi)擴(kuò)散，而合金元素則由晶內(nèi)向晶界、由內(nèi)層向表層擴(kuò)散并與氧結(jié)合形成氧化物，脫碳中氧化物主要分布在晶界上，其含量由表層向內(nèi)層逐漸減少。后續(xù)滲碳淬火、冷卻時(shí)由于合金元素貧化，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w、貝氏體等非馬氏體，表面無法有效形成馬氏體，這些表面出現(xiàn)的非馬氏體組織在滲碳淬火后表現(xiàn)為硬而脆，容易導(dǎo)致成品零件表面強(qiáng)度不足，從而形成尺寸上的缺失和嚙合間隙過大。
非馬氏體組織是由內(nèi)氧化的貧合金化元素導(dǎo)致而形成。一旦形成此類組織，其后果是降低表面硬度和耐磨性以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應(yīng)力集中區(qū)域，萌生細(xì)微裂紋，并向更深的地方延伸。材料為S-20MnCrSH，化學(xué)成分見表1，產(chǎn)品外形如圖4 所示。
圖4 六七擋結(jié)合齒零件圖形
表1 S-20MnCrSH 化學(xué)成分(wt%)
解決問題的方法及結(jié)果驗(yàn)證
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試制中反饋的缺陷，預(yù)處理工藝進(jìn)行了七個(gè)產(chǎn)品工藝試驗(yàn)。利用增加鍛造溫度和中頻加熱時(shí)間的方式，使產(chǎn)品表面脫碳達(dá)到上公差0.1mm 左右，觀察熱后理化檢測(cè)結(jié)果與毛坯狀態(tài)對(duì)應(yīng)情況，溫鍛成坯后對(duì)表面脫碳進(jìn)行檢測(cè)，如圖5 所示。
圖5 溫鍛成坯后表面脫碳情況(100×)
因溫鍛+無氧化正火+冷精整工藝特點(diǎn)，產(chǎn)品結(jié)合齒部位精整后不經(jīng)過機(jī)加工，所以齒部的表面脫碳尤為關(guān)鍵，檢測(cè)部位均為結(jié)合齒齒面，對(duì)冷精整后的表面脫碳進(jìn)行檢測(cè)，如圖6 所示。經(jīng)過金屬流動(dòng)，齒頂和齒面表面脫碳被有效拉長(zhǎng)堆積至齒根位置。
展開 帶狀組織、魏氏組織、脫碳層等熱處理缺陷組織解析
脫碳層
脫碳層是指含碳耐火材料在高溫使用中，表層受氧化性介質(zhì)侵蝕，碳被氧化后形成的層帶。脫碳層的氣孔率比原磚顯著增大，故強(qiáng)度降低。含碳耐火材料經(jīng)熔渣侵蝕后，工作面常附有一層渣層，其成分主要由熔渣與被熔渣溶蝕或沖蝕下來的耐火材料構(gòu)成。緊接著附渣層的是熔渣與脫碳后的耐火材料相互作用而形成的反應(yīng)層在反應(yīng)層內(nèi)，相互作用生成的液相形成了連續(xù)簽質(zhì)，耐火材料的晶粒或顆粒一般多呈蝕損狀態(tài)并被這些基質(zhì)所包圍。反應(yīng)層與原磚之間則為脫碳層。脫碳層一般都較薄，反應(yīng)層則較厚些。
# 鋼的脫碳層深度測(cè)定
脫碳包含部分脫碳、完全脫碳。完全脫碳指鋼樣表層碳含量水平低于碳在鐵素體中最大溶解度（只在鐵素體中存在)。
有效脫碳層深度：從產(chǎn)品表面到規(guī)定的碳含量或硬度水平的點(diǎn)的距離，規(guī)定的碳含量或硬度水平以不因脫碳而影響使用性能為準(zhǔn)（如產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的碳含量最小值）。
總脫碳層深度：從產(chǎn)品表面到碳含量等于基體碳含量的那一點(diǎn)距離，等于部分脫碳層和完全脫碳層之和。
鐵素體脫碳層深度：表面完全脫碳層的深度。（由顯微組織檢驗(yàn)確定）測(cè)定方法。
通常采用金相法、硬度法、化學(xué)法或光譜分析法。試樣在供貨狀態(tài)下檢驗(yàn)，不需要進(jìn)一步熱處理。如經(jīng)有關(guān)各方商定，則要從多方面注意防止碳的分布狀態(tài)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。如：采用小試樣、短的奧氏體化時(shí)間，中性的保護(hù)氣氛。
END
來源：材子筆記
展開 CCUS如何改寫航運(yùn)脫碳
報(bào)告還指出，CCUS可以在促進(jìn)可供整個(gè)能源系統(tǒng)使用的低碳?xì)涞纳a(chǎn)方面發(fā)揮重要作用，通過兩種關(guān)鍵方式幫助氫燃料生產(chǎn)脫碳：
一是減少現(xiàn)有制氫廠的排放，為現(xiàn)有制氫廠改裝CCUS技術(shù)，使其能夠繼續(xù)可持續(xù)地運(yùn)行。
從制氫
中捕獲二氧化碳是一種成本相對(duì)較低的CCUS應(yīng)用，現(xiàn)有設(shè)施通常集中在沿海工業(yè)區(qū)，具有與其他工業(yè)設(shè)施共享二氧化碳運(yùn)輸和儲(chǔ)存基礎(chǔ)設(shè)施的潛力。
二是提供一種成本最低的擴(kuò)大氫氣生產(chǎn)的途徑：
在大多數(shù)地區(qū)，天然氣和煤制氫與CCUS
相結(jié)合比使用可再生能源進(jìn)行水電解制氫成本更低，在二氧化碳儲(chǔ)存和化石燃料成本都比較低的地方更是如此。
此外，捕集來的二氧化碳還可用于將氫轉(zhuǎn)化為合成碳?xì)浠衔锶剂希鼈円子趦?chǔ)存、運(yùn)輸和使用且生命周期二氧化碳排放相對(duì)傳
統(tǒng)化石燃料更低。
這種燃料的生產(chǎn)屬于高度能源密集型，在低成本可再生能源和二氧化碳都可用的地區(qū)最經(jīng)濟(jì)可行。
目前運(yùn)營(yíng)中的最大設(shè)施是位于冰島的GeorgeOlah工廠，該工廠使用可再生電力制氫，每年可將約5600噸二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇。
重塑航運(yùn)脫碳，CCUS大有可為
如上所述，將CCUS技術(shù)推廣應(yīng)用到船上具有獨(dú)特地挑戰(zhàn)，但也為減少交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放提供了巨大的機(jī)會(huì)。CCUS系統(tǒng)的制造和運(yùn)營(yíng)成本可能是在近期和中期部署該技術(shù)的障礙，但是這些挑戰(zhàn)并非無法克服，隨著技術(shù)的改進(jìn)和運(yùn)營(yíng)成本的降低，CCUS有望成為實(shí)現(xiàn)航運(yùn)脫碳的一個(gè)有說服力的選擇。除了解決技術(shù)和成本問題外，船載CCUS系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需要建設(shè)相應(yīng)的配套措施。
展開 
鋼材常見缺陷組織詳解
‘
三、脫碳層(decarbonized zone)是指含碳耐火材料在高溫使用中，表層受氧化性介質(zhì)侵蝕，碳被氧化后形成的層帶。脫碳層的氣孔率比原磚顯著增大，故強(qiáng)度降低。含碳耐火材料經(jīng)熔渣侵蝕后，工作面常附有一層渣層，其成分主要由熔渣與被熔渣溶蝕或沖蝕下來的耐火材料構(gòu)成。緊接著附渣層的是熔渣與脫碳后的耐火材料相互作用而形成的反應(yīng)層在反應(yīng)層內(nèi)，相互作用生成的液相形成了連續(xù)簽質(zhì)，耐火材料的晶粒或顆粒一般多呈蝕損狀態(tài)并被這些基質(zhì)所包圍。反應(yīng)層與原磚之間則為脫碳層。脫碳層一般都較薄，反應(yīng)層則較厚些。
鋼的脫碳層深度測(cè)定
脫碳包含部分脫碳、完全脫碳。完全脫碳指鋼樣表層碳含量水平低于碳在鐵素體中最大溶解度（只在鐵素體中存在)。
有效脫碳層深度：從產(chǎn)品表面到規(guī)定的碳含量或硬度水平的點(diǎn)的距離，規(guī)定的碳含量或硬度水平以不因脫碳而影響使用性能為準(zhǔn)（如產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的碳含量最小值）。
總脫碳層深度：從產(chǎn)品表面到碳含量等于基體碳含量的那一點(diǎn)距離，等于部分脫碳層和完全脫碳層之和。
鐵素體脫碳層深度：表面完全脫碳層的深度。（由顯微組織檢驗(yàn)確定）測(cè)定方法。
通常采用金相法、硬度法、化學(xué)法或光譜分析法。試樣在供貨狀態(tài)下檢驗(yàn)，不需要進(jìn)一步熱處理。如經(jīng)有關(guān)各方商定，則要從多方面注意防止碳的分布狀態(tài)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。如：采用小試樣、短的奧氏體化時(shí)間，中性的保護(hù)氣氛。
文章來源材料熱處理工程師
展開 重復(fù)熱處理及防護(hù)層對(duì)CrNiMoV鋼鍛件組織性能的影響
表2 熱處理前后典型位置厚度尺寸檢測(cè)結(jié)果 單位：mm
圖3 造型對(duì)比情況
圖4 縱剖面5個(gè)檢測(cè)位置
重復(fù)熱處理前噴涂防護(hù)劑對(duì)鍛件近表面脫碳層的影響
CrNiMoV鋼類鍛件熱加工過程中表面產(chǎn)生肉眼可見的氧化皮，由于氧化反應(yīng)在鍛件近表面還會(huì)形成一層脫碳層，脫碳層的組織與鍛件本體的組織有差異。鍛件表面噴涂的防護(hù)劑具有防氧化的作用，為了定量分析防護(hù)層的防氧化作用，在重復(fù)熱處理后的鍛件噴涂和未噴涂區(qū)域分別切取1個(gè)試樣，檢測(cè)脫碳層的厚度。取樣示意圖見圖5，其中1#試樣位于噴涂區(qū)域，2#試樣位于未噴涂區(qū)域。采用金相法對(duì)試樣軸向表面和徑向表面脫碳層進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖6，脫碳層厚度最大值為0.71mm，檢測(cè)結(jié)果顯示軸向表面脫碳層最大厚度比徑向表面脫碳層最大厚度大0.19mm，未噴涂區(qū)域的脫碳層最大厚度比噴涂區(qū)域的大0.2mm。
圖5 脫碳層厚度檢測(cè)取樣示意圖
圖6 脫碳層厚度檢測(cè)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果表明：噴涂防護(hù)層的區(qū)域脫碳層厚度小于未噴涂的區(qū)域，防護(hù)劑有一定的防氧化能力。綜合考慮氧化皮和脫碳層厚度，噴涂防護(hù)劑的區(qū)域氧化深度比未噴涂區(qū)域小0.3mm，另外未噴涂區(qū)域的輪緣發(fā)生了軸向翹曲，翹曲變形值為1.36mm，噴涂區(qū)域輪緣翹曲變形量為0.27mm。因此未噴涂鍛件的余量需不小于2.45mm，噴涂防護(hù)劑的鍛件余量需不小于1.01mm。
展開 全球油氣行業(yè)發(fā)展五大焦點(diǎn)
4.脫碳成核心
在去年底舉行的第27屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP27）上，多個(gè)國(guó)家公布了減少甲烷排放的計(jì)劃，油氣行業(yè)成為短期內(nèi)全球甲烷減排的重點(diǎn)行業(yè)。美國(guó)、歐盟、日本等國(guó)簽署了《能源進(jìn)出口國(guó)關(guān)于減少化石燃料溫室氣體排放的聯(lián)合聲明》，推動(dòng)整個(gè)油氣供應(yīng)鏈的甲烷減排，并呼吁“甲烷生產(chǎn)大國(guó)”立即宣布甲烷減排計(jì)劃并制定改革措施。美國(guó)環(huán)保署（EPA）還提議將甲烷排放監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大到國(guó)內(nèi)所有生產(chǎn)井，加強(qiáng)打擊美國(guó)油氣行業(yè)的甲烷泄漏。
未來油氣行業(yè)將加快脫碳轉(zhuǎn)型，油氣行業(yè)的脫碳支出將不斷增長(zhǎng)。相關(guān)法規(guī)將促使油氣企業(yè)加大對(duì)碳減排和電氣化方面的投資，包括配備監(jiān)測(cè)甲烷泄漏的無人機(jī)，安裝設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)伴生氣利用等。
未來油氣行業(yè)脫碳可能會(huì)變成一種服務(wù)，將出現(xiàn)新型油田服務(wù)商為油氣企業(yè)提供甲烷和二氧化碳減排方案。CCUS（碳捕集、利用與封存）對(duì)于上游油氣行業(yè)脫碳至關(guān)重要。未來在中東、北美和歐洲等地區(qū)將有更多CCUS項(xiàng)目達(dá)成最終投資決定。油氣企業(yè)也將積極儲(chǔ)備CCUS相關(guān)技術(shù)和資源，推動(dòng)CCUS項(xiàng)目步入快車道。
油氣開發(fā)將越來越多地與可再生能源、氫能和碳抵消項(xiàng)目相融合，以平衡碳排放。未來在發(fā)放油氣勘探開發(fā)許可證時(shí)可能也將包含脫碳相關(guān)條款。到2023年底，沒有碳減排計(jì)劃的油氣項(xiàng)目可能很難再獲得批準(zhǔn)。
大型國(guó)際石油公司將把脫碳項(xiàng)目擴(kuò)展到其自身經(jīng)營(yíng)范圍之外，通過共享碳減排基礎(chǔ)設(shè)施或提供碳減排技術(shù)等方式，幫助所在國(guó)或者其他油氣企業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。
5.天然氣地位提升
對(duì)于油氣企業(yè)來說，去年以來，天然氣業(yè)務(wù)的效益一直非常可觀。但這并不意味著今年企業(yè)將扎堆投資大型天然氣項(xiàng)目，也不意味著對(duì)天然氣業(yè)務(wù)的投資會(huì)立即超過石油。然而，這可能會(huì)催生新的天然氣商業(yè)模式。
天然氣作為過渡能源，將加速油氣行業(yè)脫碳轉(zhuǎn)型。
展開 余熱正火技術(shù)在汽車鍛件上的應(yīng)用實(shí)踐
表1 檢驗(yàn)結(jié)果
狀態(tài)
進(jìn)爐溫度/℃
硬度/ HB
金相組織
結(jié)論
原材料
室溫
229
P+F，晶粒度4-5級(jí)，脫碳層0.1mm
/
室溫
234
P+F，晶粒度5級(jí)，脫碳層0.1mm
/
室溫
231
P+F，晶粒度4級(jí)，脫碳層0.1mm
/
室溫
234
P+F，晶粒度5級(jí)，脫碳層0.1mm
/
常溫產(chǎn)品
室溫
229
P+F，晶粒度6～7級(jí)，脫碳層0.1mm
合格
室溫
229
P+F，晶粒度5～7級(jí)，脫碳層0.1mm
合格
室溫
222
P+F，晶粒度5～6級(jí)，脫碳層0.1mm
合格
室溫
231
P+F，晶粒度6級(jí)，脫碳層0.1mm
合格
高溫鍛件
≥850
217
P+F，晶粒度3～5級(jí)，脫碳層0.1mm
不合格
≥850
展開 管狀固體氧化物電解技術(shù)取得突破，加速工業(yè)脫碳
圖源：CSIRO
澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)和 RFC Ambrian 共同創(chuàng)立了 Hadean Energy，致力于將尖端技術(shù)商業(yè)化，公司的特點(diǎn)是采用電解技術(shù)，對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能的需求減少30%，這在使綠色制氫盡可能高效和具有成本效益的競(jìng)爭(zhēng)中取得了重大進(jìn)展，并有助于重工業(yè)脫碳。
Hadean Energy將在BlueScope的Port Kembla鋼鐵廠試驗(yàn)這項(xiàng)尖端技術(shù)，在工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行中試規(guī)模的設(shè)備演示，然后再進(jìn)行MW級(jí)的安裝。
這是眾多新型綠色氫技術(shù)之一，其中效率——尤其是用電量——是關(guān)鍵。伍倫貢大學(xué)的衍生公司Hysata最近在肯布拉港開設(shè)了第一家制造工廠，并正在建造第一個(gè)5MWh的設(shè)備。
使用工業(yè)熱能和固體陶瓷電解質(zhì)的電解槽很難縮放，它們?cè)诟邷叵聲?huì)降解，并且平面方形或矩形邊緣的長(zhǎng)密封產(chǎn)生了很多泄漏的機(jī)會(huì)。
但到目前為止，這是想要利用廢熱的工業(yè)場(chǎng)所的唯一選擇之一，否則將需要昂貴的冷卻，以及廢蒸汽，以制造氫或合成碳?xì)浠衔铩? CSIRO的研究人員在過去的七年里一直在尋求一種替代方案：為什么不建造只需要兩端密封的管子，來替代扁平的方形電解槽單元呢？
最終的結(jié)果是一個(gè)內(nèi)外都有電極的陶瓷管，看起來很簡(jiǎn)單。但是，由CSIRO氫氣項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Sarbjit Giddey博士領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，在他們的第一個(gè)250W系統(tǒng)建成之前，必須克服一系列的挑戰(zhàn)(扁平的方形單元很容易制造，而管子則不然)。
該公司在Bluescope Steel的Port Kembla鋼鐵廠的首臺(tái)KW級(jí)機(jī)組將在明年進(jìn)行4個(gè)月的測(cè)試。與此同時(shí)，它正在努力擴(kuò)大制造過程，以建造一個(gè)MW級(jí)的機(jī)組。
展開 高溫氫腐蝕知識(shí)。
表面脫碳
鋼材與高溫氫接觸后，形成表面脫碳。表面脫碳不形成裂紋，其影響是強(qiáng)度及硬度略有下降，而延伸率增高。
氫腐蝕(內(nèi)部脫碳)
高溫高壓下的氫滲入鋼材之后和不穩(wěn)定碳化物形成甲烷。鋼中甲烷不易逸出，而使鋼材產(chǎn)生裂紋及鼓泡，并使強(qiáng)度和韌性顯著下降。其腐蝕反應(yīng)是不可逆的，是永久性脆化。
影響氫腐蝕的主要因素：
1.高溫氫腐蝕的特征：
高溫氫腐蝕是在高溫高壓條件下擴(kuò)散侵入鋼材中的氫與不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成甲烷氣泡（包含甲烷的成核過程和成長(zhǎng)），即Fe3+H2→CH4+3Fe，并在晶間空穴和非金屬夾雜部位聚集，引起鋼材強(qiáng)度、延性和韌性下降與劣化，同時(shí)發(fā)生晶間斷裂。由于這種脆化現(xiàn)象是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，所以它具有不可逆的性質(zhì)，也稱為永久脆化現(xiàn)象。
在高溫高壓氫氣中操作的設(shè)備所發(fā)生地高溫氫腐蝕有兩種形式：一是表面脫碳，二是內(nèi)部脫碳。
2.影響高溫氫腐蝕的主要因素：
a.溫度、壓力和暴露時(shí)間的影響。溫度越高或者壓力越高發(fā)生高溫腐蝕的起始時(shí)間就越早，腐蝕速率越大；
b.合金元素和雜質(zhì)元素的影響。氫腐蝕的機(jī)理是不穩(wěn)定碳化物的分解，所以在鋼材中添加能形成穩(wěn)定碳化物的元素（鉻、鉬、釩、鈦、鎢）就可使碳的活性降低，從而提高鋼材抗氫腐蝕的能力。在加氫高壓設(shè)備中廣泛采用鉻-鉬鋼系，這是原因之一；
c.熱處理的影響。鋼材的抗氫腐蝕性能，與鋼材的顯微組織也有密切的關(guān)系。施行回火且回火溫度越高，由于可形成穩(wěn)定的碳化物，抗氫腐蝕能力得到改善；
d.應(yīng)力的影響。
展開 如何區(qū)分鍛造裂紋、熱處理裂紋、原材料裂紋？
鍛造裂紋
鍛造裂紋一般在高溫時(shí)形成，鍛造變形時(shí)由于裂紋擴(kuò)大并接觸空氣，故在100X或500X的顯微鏡下觀察，可見到裂紋內(nèi)充有氧化皮，且兩側(cè)是脫碳的，組織為鐵素體，其形態(tài)特征是裂紋比較粗壯且一般經(jīng)多條形式存在，無明細(xì)尖端，比較圓純，無明細(xì)的方向性，除以上典型形態(tài)外，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)有些鍛造裂紋比較細(xì)。裂紋周圍不是全脫碳而是半脫碳。
典型的鍛造裂紋示例：
邊緣較多氧化物。
熱處理裂紋
淬火加熱過程中產(chǎn)生的裂紋與鍛造加熱過程形成的裂紋在性質(zhì)和形態(tài)上有明顯的差別。對(duì)結(jié)構(gòu)鋼而言，熱處理溫度一般較鍛造溫度要低得多，即使是高速鋼、高合金鋼其加熱保溫時(shí)間則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鍛造溫度。由于熱處理加熱溫度偏高，保溫時(shí)間過長(zhǎng)或快速加熱，均會(huì)在加熱過程中產(chǎn)生早期開裂。產(chǎn)生沿著較粗大晶粒邊界分布的裂紋；裂紋兩側(cè)略有脫碳組織，零件加熱速度過快，也會(huì)產(chǎn)生早期開裂，這種裂紋兩側(cè)無明顯脫碳，但裂紋內(nèi)及其尾部充有氧化皮。有時(shí)因高溫儀器失靈，溫度非常高，致使零件的組織極粗大，其裂紋沿粗大晶粒邊界分布。
典型的淬火裂紋示例：
500X下，呈鋸齒狀，起始端裂紋寬，結(jié)束斷裂紋細(xì)小至無，裂紋處未發(fā)現(xiàn)異常冶金夾雜，沒有脫碳現(xiàn)象，裂紋呈鋸齒狀延伸，具有淬火裂紋的典型特征。
展開 
CCUS技術(shù)研究：值得關(guān)注的氣候技術(shù)--純凈鋼
脫碳途徑
目前存在于實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)可能為進(jìn)一步脫碳提供了途徑，最有希望實(shí)現(xiàn)完全脫碳的途徑是使用低碳?xì)渥鳛檫€原劑。該途徑結(jié)合了已經(jīng)商業(yè)化的DRI工藝（使用低碳?xì)涠皇翘烊粴猓┖虴AF工藝。
另一個(gè)潛在的技術(shù)途徑是碳捕獲、利用和封存 (CCUS) 技術(shù)，可以將其改造到現(xiàn)有或新的BF-BOF和DRI工廠。CCUS的工作原理是捕獲煙囪中的CO 2氣體，將其封存并長(zhǎng)期儲(chǔ)存或再利用。其結(jié)果是一種低碳排放的鋼鐵產(chǎn)品。?
目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上測(cè)試了幾種途徑，包括高溫固體氧化物電解制氫技術(shù)和低溫水系電解質(zhì)技術(shù)，這兩種方法都涉及使用電解法從礦石中提取鐵。
圖：低碳鋼生產(chǎn)的途徑（來源：美國(guó)信息技術(shù)與創(chuàng)新基金會(huì)）
鋼鐵本質(zhì)上是一種碳基產(chǎn)品，因此想要實(shí)現(xiàn)完全去除碳的目標(biāo)，要么成本極低，要么技術(shù)上不可行，具體取決于技術(shù)途徑。
展開 高溫氫腐蝕知識(shí)。
表面脫碳
鋼材與高溫氫接觸后，形成表面脫碳。表面脫碳不形成裂紋，其影響是強(qiáng)度及硬度略有下降，而延伸率增高。
氫腐蝕(內(nèi)部脫碳)
高溫高壓下的氫滲入鋼材之后和不穩(wěn)定碳化物形成甲烷。鋼中甲烷不易逸出，而使鋼材產(chǎn)生裂紋及鼓泡，并使強(qiáng)度和韌性顯著下降。其腐蝕反應(yīng)是不可逆的，是永久性脆化。
影響氫腐蝕的主要因素：
1.高溫氫腐蝕的特征：
高溫氫腐蝕是在高溫高壓條件下擴(kuò)散侵入鋼材中的氫與不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成甲烷氣泡（包含甲烷的成核過程和成長(zhǎng)），即Fe3+H2→CH4+3Fe，并在晶間空穴和非金屬夾雜部位聚集，引起鋼材強(qiáng)度、延性和韌性下降與劣化，同時(shí)發(fā)生晶間斷裂。由于這種脆化現(xiàn)象是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，所以它具有不可逆的性質(zhì)，也稱為永久脆化現(xiàn)象。
在高溫高壓氫氣中操作的設(shè)備所發(fā)生地高溫氫腐蝕有兩種形式：一是表面脫碳，二是內(nèi)部脫碳。
2.影響高溫氫腐蝕的主要因素：
a.溫度、壓力和暴露時(shí)間的影響。溫度越高或者壓力越高發(fā)生高溫腐蝕的起始時(shí)間就越早，腐蝕速率越大；
b.合金元素和雜質(zhì)元素的影響。氫腐蝕的機(jī)理是不穩(wěn)定碳化物的分解，所以在鋼材中添加能形成穩(wěn)定碳化物的元素（鉻、鉬、釩、鈦、鎢）就可使碳的活性降低，從而提高鋼材抗氫腐蝕的能力。在加氫高壓設(shè)備中廣泛采用鉻-鉬鋼系，這是原因之一；
c.熱處理的影響。鋼材的抗氫腐蝕性能，與鋼材的顯微組織也有密切的關(guān)系。施行回火且回火溫度越高，由于可形成穩(wěn)定的碳化物，抗氫腐蝕能力得到改善；
d.應(yīng)力的影響。
展開 一起了解鋼在加熱時(shí)的變化過程！
02
脫碳
鋼加熱過程中脫碳，即鋼中的碳被燒損使鋼表面含碳量降低的現(xiàn)象。伴隨氧化常發(fā)生脫碳，氧化性氣氛也是脫碳的氣氛，H2雖是還原性氣氛亦是脫碳氣氛。一般鋼中含碳量越高，脫碳越嚴(yán)重。由于脫碳使鋼件表面含碳量下降，導(dǎo)致鋼件機(jī)械強(qiáng)度下降，特別是工件的疲勞強(qiáng)度下降，耐磨損性能降低。
03
過熱
鋼的過熱指的是加熱溫度比正常溫度偏高，出現(xiàn)的現(xiàn)象是鋼的奧氏體晶粒較正常的要大，即晶粒變粗。結(jié)果是鋼的塑性、韌性、強(qiáng)度降低，同時(shí)工件熱處理后變形加大，還可能導(dǎo)致熱處理裂紋、使工件報(bào)廢。過熱的工件一般可再在較低溫度加熱，重新使奧氏體晶粒細(xì)化，予以補(bǔ)救。
04
過燒
指的是加熱溫度太高，奧氏體晶界或部分晶界氧化甚至熔化的現(xiàn)象。后果是，處理的工件很脆，如果鍛造一鍛即裂，過燒的工件只能報(bào)廢，無法挽救，因而是致命性的。
加熱缺陷的防止辦法
（1）真空加熱
工件在真空中加熱是防止氧化脫碳的最有效措施，是熱處理工藝的發(fā)展方向，在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用普遍，問題是，真空加熱用的設(shè)備投資大，工藝成本較高。
（2）可控氣氛加熱
工件加熱過程中向爐內(nèi)充入一定保護(hù)性氣氛，保證鋼在不脫碳，不增碳，不氧化的氣氛下加熱。實(shí)踐證明它是行之有效與可靠的方法，也是發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用十分普遍的工藝，是現(xiàn)代熱處理的發(fā)展方向之一。但需要一套制取可控氣氛的發(fā)生裝置，由于成本較高，原材料來源不廣泛限制了它的應(yīng)用。
展開 武漢理工&廣州大學(xué)：高通量計(jì)算快速篩選出高性能吸附材料！
然而，由于PPN材料種類繁多，通過傳統(tǒng)試錯(cuò)型實(shí)驗(yàn)手段難以快速識(shí)別出高性能的天然氣脫硫脫碳吸附劑。分子模擬結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)是目前快速篩選天然氣脫硫脫碳目標(biāo)吸附材料的有效方法，武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院吳選軍副教授與廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院蔡衛(wèi)權(quán)教授合作，提出基于巨正則蒙特卡洛（GCMC）模擬結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的算法，從17846個(gè)虛擬PPN材料中篩選出了能夠同時(shí)脫除濕天然氣中CO2和H2S兩種酸性氣體的390種最佳吸附劑，并基于決策樹、隨機(jī)森林、梯度提升回歸樹和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立了PPN材料脫硫脫碳應(yīng)用的結(jié)構(gòu)-效能關(guān)系與設(shè)計(jì)原則，提出一種快速識(shí)別高性能天然氣脫硫脫碳PPN吸附劑的方法，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化濕天然氣高效脫硫脫碳奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。相關(guān)成果最近在化工領(lǐng)域Top期刊《美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)志》（AIChE Journal）上在線發(fā)表。
為了節(jié)省計(jì)算資源，采用圖1所示計(jì)算流程對(duì)17846種PPN材料進(jìn)行GCMC模擬的篩選。
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