氫致高強(qiáng)鋼延遲斷裂行為分析(一)

  隨著工程機(jī)械、汽車(chē)等行業(yè)的快速發(fā)展,為降低成本、增“強(qiáng)”減重,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo),國(guó)內(nèi)外廣泛探索工程機(jī)械及汽車(chē)的輕量化方法。要最大限度地減輕設(shè)備質(zhì)量,一個(gè)有效的途徑就是提高鋼的強(qiáng)度級(jí)別。近年來(lái),工程機(jī)械用鋼從500~600MPa級(jí)快速上升至800MPa、1000MPa,甚至1500MPa。然而,隨著強(qiáng)度提高,鋼的延遲斷裂敏感性也隨之增大,氫致延遲斷裂敏感性高已經(jīng)成為制約高強(qiáng)度級(jí)別鋼種推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素。

  高強(qiáng)鋼的氫致延遲斷裂現(xiàn)象

  延遲斷裂是材料在靜止應(yīng)力的作用下,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后突然發(fā)生脆性破壞的一種現(xiàn)象,它是材料—環(huán)境—應(yīng)力之間相互作用的結(jié)果,是氫致材質(zhì)惡化的一種形態(tài)。延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于材料內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中的部位擴(kuò)散聚集,這些應(yīng)力集中的部位往往缺陷較多(原子點(diǎn)陣錯(cuò)位、空穴等),氫擴(kuò)散到這些缺陷處,氫離子合成氫原子,氫原子進(jìn)一步合成氫分子,將產(chǎn)生巨大的壓力。這個(gè)壓力與材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力以及材料服役狀態(tài)下所承受的外加應(yīng)力,形成一個(gè)合力,當(dāng)這個(gè)合力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí),就會(huì)導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。

  由于延遲斷裂常常在材料所承受的外加應(yīng)力水平顯著低于其屈服強(qiáng)度時(shí)突然發(fā)生,具有其不可預(yù)知性,因此,往往導(dǎo)致較為嚴(yán)重的破壞和后果。隨著超高強(qiáng)度級(jí)別鋼的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,延遲斷裂現(xiàn)象受到更大程度的關(guān)注。以汽車(chē)零部件為例,其產(chǎn)品形狀復(fù)雜,變形量大,車(chē)廠、零部件制造商及材料供應(yīng)商對(duì)延遲斷裂性能更加重視,已經(jīng)成為材料性能認(rèn)證項(xiàng)目之一。

  延遲斷裂行為的影響因素

  金屬材料的延遲斷裂行為是在材料、環(huán)境和應(yīng)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(guān)。

  材料強(qiáng)度的影響

  一般來(lái)講材料的強(qiáng)度越高,其延遲斷裂敏感性越大。一般認(rèn)為1000MPa是一個(gè)危險(xiǎn)的水平,即抗拉強(qiáng)度低于1000MPa時(shí)鋼材耐延遲開(kāi)裂的性能相對(duì)較好,而當(dāng)材料強(qiáng)度大于1000MPa時(shí),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(huì)對(duì)材料的延遲斷裂行為產(chǎn)生不同的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著鋼中(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(yīng)力強(qiáng)度因子隨之下降,說(shuō)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(huì)促進(jìn)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(yīng)力水平下即發(fā)生斷裂。而Ti、V、Mo、Ni、Nb等元素可細(xì)化晶粒,提高材料的韌性,減少偏析,而且所形成的細(xì)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(kāi)裂敏感性。

  微觀組織的影響

  由于氫在不同組織中的擴(kuò)散速度和儲(chǔ)存能力不同,因此,材料的微觀組織對(duì)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(shí),材料微觀組織上的不均勻性,如晶界、相界等,由于原子錯(cuò)排和局部應(yīng)力場(chǎng)的存在,會(huì)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(kāi)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(kāi)裂的敏感性。

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