氫致高強(qiáng)度耐磨板延遲斷裂行為分析(二)

  微觀組織的影響。由于氫在不同組織中的擴(kuò)散速度和儲存能力不同,因此,材料的微觀組織對延遲斷裂敏感性的影響很大。從金相組織上講,相比于奧氏體和全珠光體組織,鐵素體—馬氏體和單一馬氏體組織鋼材具有更高的氫致延遲斷裂敏感性。此外,相同的應(yīng)力水平下,加工誘發(fā)馬氏體的含量越高,延遲斷裂敏感性越大;在相同的強(qiáng)度水平下,含Mo的高溫回火馬氏體組織,比普通回火馬氏體鋼的極限擴(kuò)散氫含量高,延遲斷裂敏感性降低。同時,材料微觀組織上的不均勻性,如晶界、相界等,由于原子錯排和局部應(yīng)力場的存在,會成為氫的捕獲陷阱或氫快速傳輸?shù)耐ǖ?,從而影響材料的氫致延遲開裂行為。此外,降低晶粒尺寸,晶界處吸附的氫含量減少,也有利于改善材料沿晶界開裂的敏感性。

  加工缺陷的影響。高強(qiáng)度耐磨板的加工會經(jīng)歷彎曲、拉拔、冷軋等工藝,不同的加工方式會在材料上留下微孔、微裂紋和位錯等缺陷,這些缺陷位置會成為氫的捕獲陷阱或者提供氫原子快速傳輸?shù)耐ǖ?,在外力作用下還會在缺陷位置形成應(yīng)力集中,它們會對材料的氫致延遲開裂行為產(chǎn)生較大的影響。

  受力狀態(tài)的影響。一方面,金屬構(gòu)件在服役過程中會受到各種外力的作用;另一方面,材料本身也會因為不同的加工成型過程而產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)變狀態(tài)。高強(qiáng)度耐磨板的主要成型工藝有折彎、擴(kuò)孔和翻邊、淺拉伸等,這些加工殘余應(yīng)變的存在會促進(jìn)延遲斷裂的發(fā)生。最新研究認(rèn)為,加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)變是外加應(yīng)力和材料中的可擴(kuò)散氫含量之外的第三大導(dǎo)致高強(qiáng)度耐磨板延遲斷裂失效行為發(fā)生的重要因素,氫致延遲斷裂行為發(fā)生的敏感區(qū)處于高外加應(yīng)力、高應(yīng)變和高濃度擴(kuò)散氫含量的重合區(qū)。

  環(huán)境的影響。環(huán)境主要是會影響氫向金屬材料內(nèi)部的滲透。金屬在各種致氫環(huán)境中,如氫氣、H2S氣體和水溶液、水介質(zhì)、丙酮等有機(jī)溶液中,氫致延遲斷裂敏感性會大大增加。根據(jù)環(huán)境中氫來源的不同,高強(qiáng)度耐磨板的氫致延遲斷裂行為主要分為以下兩類:一類是服役環(huán)境滲入的氫(外氫)引起的延遲斷裂,如橋梁用高強(qiáng)度耐磨板,在潮濕大氣、雨水等環(huán)境中長期暴露發(fā)生腐蝕,由腐蝕反應(yīng)生成的氫侵入鋼中而發(fā)生延遲斷裂。另一類是酸洗、電鍍、焊接等制造過程中侵入鋼中的氫(內(nèi)氫)引起延遲斷裂。以焊接為例,它是一個局部冶煉過程,局部高溫可使焊條及藥皮中所含的水分分解成氫原子進(jìn)入金屬。這些過程引入的氫含量較高,因此,鋼材常常在施加應(yīng)力后的幾小時或幾天內(nèi)即發(fā)生延遲斷裂失效。

  氫致延遲斷裂機(jī)理

  關(guān)于氫致延遲斷裂的機(jī)理,近年來已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究,但問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有解決。已經(jīng)提出的經(jīng)典理論主要有:氫壓理論、氫降低表面能理論、氫降低原子鍵合力理論,以及氫促進(jìn)局部塑性變形理論等。

  氫壓理論、氫降低表面能理論和氫降低原子鍵合力(即弱鍵)理論均認(rèn)為,氫致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展是原子面在正應(yīng)力作用下的整體解理過程,即氫致脆性的過程。與此相反,氫致局部塑性變形理論則認(rèn)為任何斷裂過程都是局部塑性變形的結(jié)果。該理論認(rèn)為,在存在應(yīng)力梯度的條件下,如裂紋尖端附近,由于應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散,原子氫能富集在裂紋尖端局部區(qū)域。當(dāng)有效氫濃度達(dá)到臨界值時,可以使局部區(qū)域的表觀屈服應(yīng)力明顯下降,于是在較低的應(yīng)力作用下就能產(chǎn)生氫致滯后塑性并導(dǎo)致滯后斷裂,而且局部區(qū)域表觀屈服應(yīng)力的下降量明顯依賴于鋼的強(qiáng)度和初始?xì)浜俊?

  總體來講,上述4種經(jīng)典理論都有其局限性,將氫促進(jìn)局部塑性變形理論和弱鍵理論、氫壓理論聯(lián)合起來,是今后研究的一個方向,有可能發(fā)展新的氫致開裂理論以解釋氫致韌斷和氫致韌脆轉(zhuǎn)變機(jī)理。

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鏈接:氫致高強(qiáng)度耐磨板延遲斷裂行為分析(三)