隨著工程機(jī)械、汽車等行業(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),國內(nèi)外廣泛探索工程機(jī)械及汽車的輕量化方法。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)度級別。近年來,工程機(jī)械用鋼從500~600MPa級快速上升至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。以汽車零部件為例,其產(chǎn)品形狀復(fù)雜,變形量大,車廠、零部件制造商及材料供應(yīng)商對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)鋼材耐延遲開裂的性能相對較好,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)鋼的加工會(huì)經(jīng)歷彎曲、拉拔、冷軋等工藝,不同的加工方式會(huì)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(huì)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(huì)在缺陷位置形成應(yīng)力集中,它們會(huì)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(huì)受到各種外力的作用;另一方面,材料本身也會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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?
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(huì)發(fā)生氫致開裂。
耐磨板|耐磨板廠家價(jià)格| 耐磨鋼板現(xiàn)貨——法鋼特種鋼材(上海)有限公司
http://m.truyenfox.com
主要經(jīng)營:JFE 耐磨鋼板,JFE 高強(qiáng)鋼板,DILLIDUR 耐磨鋼板,DILLIMAX 高強(qiáng)鋼板