氫致高強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(yīng)力場的存在,會成為氫的捕獲陷阱或氫快速傳輸?shù)耐ǖ溃瑥亩绊懖牧系臍渲卵舆t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)。高強度耐磨板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(yīng)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(chǎn)生的殘余應(yīng)變是外加應(yīng)力和材料中的可擴散氫含量之外的第三大導致高強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。

  氫致延遲斷裂機理

  關(guān)于氫致延遲斷裂的機理,近年來已經(jīng)進行了廣泛的研究,但問題還遠遠沒有解決。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)理論均認為,氫致裂紋的產(chǎn)生和擴展是原子面在正應(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為任何斷裂過程都是局部塑性變形的結(jié)果。該理論認為,在存在應(yīng)力梯度的條件下,如裂紋尖端附近,由于應(yīng)力誘導擴散,原子氫能富集在裂紋尖端局部區(qū)域。當有效氫濃度達到臨界值時,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度和初始氫含量。

  總體來講,上述4種經(jīng)典理論都有其局限性,將氫促進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)變機理。

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鏈接:氫致高強度耐磨板延遲斷裂行為分析(三)