延遲nm500耐磨鋼板斷裂行為的影響因素

nm500耐磨鋼板材料的延遲斷裂行為是在材料、環(huán)境和應力三者共同作用下發(fā)生的,與材料的特性以及受力狀態(tài)、服役環(huán)境密切相關。

  材料強度的影響。一般來講材料的強度越高,其延遲斷裂敏感性越大。一般認為1000MPa是一個危險的水平,即抗拉強度低于1000MPa時鋼材耐延遲開裂的性能相對較好,而當材料強度大于1000MPa時,其延遲斷裂敏感性較高。

  合金成分的影響。不同的合金元素會對材料的延遲斷裂行為產生不同的影響。研究發(fā)現,隨著nm500耐磨鋼板鋼中(Mn+0.5Si+S+P)含量的升高,4340系列鋼材發(fā)生氫致延遲斷裂的臨界應力強度因子隨之下降,說明其斷裂敏感性逐漸升高。這是由于鋼中C、S、P、Si、Mn等元素的偏析會促進腐蝕環(huán)境下氫的吸收,從而增大材料的氫致延遲斷裂敏感性,使得材料在較低的應力水平下即發(fā)生斷裂。而Ti、V、Mo、Ni、Nb等元素可細化晶粒,提高材料的韌性,減少偏析,而且所形成的細小析出物有利于形成氫的捕獲陷阱,從而降低材料的延遲斷裂敏感性。此外,也有研究指出,Al元素的添加可以顯著改善含錳TWIP鋼的氫致開裂敏感性。

  微觀組織的影響。由于氫在不同組織中的擴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力場的存在,會成為氫的捕獲陷阱或氫快速傳輸的通道,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。高強鋼的加工會經歷彎曲、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的通道,在外力作用下還會在缺陷位置形成應力集中,它們會對材料的氫致延遲開裂行為產生較大的影響。

  受力狀態(tài)的影響。一方面,金屬構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生不同的殘余應變狀態(tài)。高強nm500耐磨鋼板鋼的主要成型工藝有折彎、擴孔和翻邊、淺拉伸等,這些加工殘余應變的存在會促進延遲斷裂的發(fā)生。最新研究認為,加工過程中產生的殘余應變是外加應力和材料中的可擴散氫含量之外的第三大導致高強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)處于高外加應力、高應變和高濃度擴散氫含量的重合區(qū)。

  環(huán)境的影響。環(huán)境主要是會影響氫向nm500耐磨鋼板材料內部的滲透。金屬在各種致氫環(huán)境中,如氫氣、H2S氣體和水溶液、水介質、丙酮等有機溶液中,氫致延遲斷裂敏感性會大大增加。根據環(huán)境中氫來源的不同,高強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,鋼材常常在施加應力后的幾小時或幾天內即發(fā)生延遲斷裂失效。

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