加工缺陷的影響
高強(qiáng)鋼的加工會經(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(cuò)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溃谕饬ψ饔孟逻€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?yàn)椴煌募庸こ尚瓦^程而產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)變狀態(tài)。高強(qiáng)鋼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)鋼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)鋼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)鋼,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(gè)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(shí)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(shí),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?/p>
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(gè)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,。
延遲斷裂性能實(shí)驗(yàn)室評價(jià)方法
材料的延遲斷裂性能受到許多因素影響,但目前尚未形成通用的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),,在實(shí)驗(yàn)室評價(jià)材料的延遲斷裂性能往往采用加速型方法來進(jìn)行相對評價(jià),。目前,常見的延遲斷裂試驗(yàn)方法有如下幾種:
恒載荷延遲斷裂試驗(yàn)
這種試驗(yàn)通常采用光滑或帶缺口的圓棒或平板試樣在恒載荷下拉伸,,或者采用帶缺口的懸臂彎曲試樣,、四點(diǎn)彎曲試樣等。對于此類實(shí)驗(yàn),,一般用臨界應(yīng)力,、斷裂時(shí)間或者臨界氫濃度來評價(jià)材料的延遲斷裂敏感性。
恒應(yīng)變延遲斷裂試驗(yàn)
恒應(yīng)變延遲斷裂試驗(yàn)是使試樣處于恒定應(yīng)變的受力狀態(tài)下,,其主要特點(diǎn)是簡單,、經(jīng)濟(jì)、試樣緊湊,,不需要特殊的裝置,,僅利用夾具或螺栓緊固即可獲得應(yīng)力。試樣的實(shí)際應(yīng)力隨工作截面的減少而降低,。一般通過測定延遲斷裂試樣占總試樣數(shù)目的百分比或試樣斷裂的時(shí)間,,來比較材料延遲斷裂的敏感性。
慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)
目前,,國內(nèi)外已廣泛采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)(SSRT)方法,,以促進(jìn)試樣在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生延遲斷裂并能敏感地反映材料的延遲斷裂性能。通常用塑性(斷面收縮率、伸長率)損失,、最大斷裂應(yīng)力,、斷裂時(shí)間和吸收能量等指標(biāo)評價(jià)給定材料-介質(zhì)體系對延遲斷裂的敏感性。
斷裂力學(xué)試驗(yàn)
這類方法采用預(yù)制裂紋試樣,,其優(yōu)點(diǎn)主要是:縮短了裂紋產(chǎn)生的時(shí)間,;真實(shí)反映了實(shí)際構(gòu)件中難免存在宏觀缺陷的情況;可直接使用線彈性斷裂力學(xué)公式,;評價(jià)判據(jù)KISCC或KIH不隨試樣而變,可以應(yīng)用于設(shè)計(jì),。但是這種方法只是評價(jià)氫致裂紋的擴(kuò)展,,對于裂紋的產(chǎn)生不能提供任何信息。
沖杯試驗(yàn)
作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的氫致開裂評價(jià)方法,,沖杯試驗(yàn)在歐洲應(yīng)用得較為廣泛,。相比于U彎試驗(yàn),沖杯試驗(yàn)中發(fā)生氫致開裂的臨界應(yīng)變與臨界氫含量更高,,也即沖杯試驗(yàn)中材料在更高的應(yīng)變和可擴(kuò)散氫含量條件下才會發(fā)生氫致開裂,。
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