高强钢的氢致延迟断裂行为研究进展Word格式文档下载.docx

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然而，随着强度提高，钢的延迟断裂敏感性也随之增大，氢致延迟断裂敏感性高已经成为制约高强度级别钢种推广应用的一个重要因素。

1高强钢的氢致延迟断裂现象

延迟断裂是材料在静止应力的作用下，经过一定时间后突然发生脆性破坏的一种现象，它是材料、环境和应力相互作用的结果，是氢致材质恶化的一种形态。

延迟断裂现象的产生是由于材料内部的氢向应力集中的部位扩散聚集，这些应力集中的部位往往缺陷较多（原子点阵错位、空穴等），氢扩散到这些缺陷处，氢离子合成氢原子，氢原子进一步合成氢分子，将产生巨大的压力，这个压力与材料内部的残余应力以及材料服役状态下所承受的外加应力，形成一个合力，当这个合力超过材料的屈服强度时，就会导致断裂的发生。

由于延迟断裂常常在材料所承受的外加应力水平显著低于其屈服强度时突然发生，具有不可预知性，因此往往导致较为严重的破坏后果。

延迟断裂现象最初在高强度螺栓用钢上比较突出，螺栓属于缺口件，且在使用过程中长期受力，螺纹根部易于发生应力集中。

另一方面，螺栓生产过程中的镀膜、酸洗、电镀等处理工艺，以及服役环境中的腐蚀反应等均会引入氢向材料内部的侵入。

20世纪80年代，通用汽车公司曾因车底控制架上螺栓的延迟断裂失效，召回640万辆汽车，造成重大经济损失。

随着超高强度级别钢的发展及其应用领域的不断拓展，延迟断裂现象受到更大程度的关注。

以汽车零部件来讲，其产品形状复杂，变形量大，车厂、零部件制造商及材料供应商对延迟断裂性能更加重视，已经成为材料性能认证项目之一。

在宝钢开发高强度汽车用钢的进程中，氢致延迟断裂性能评估与改进一直放在首要位置。

国外特别是日本在超高强钢延迟断裂性能评价方法和机理研究上开展了大量的研究工作，并于2000年专门成立了“延迟断裂研究会”。

欧洲自2011年起召开钢铁与氢（“Steel＆Hydrogen”）专题会议，参会国家主要集中在德国、法国、日本、英国和美国等，宝钢作为国内惟一的参会单位参加了2014年在比利时根特召开的会议。

相比于国外的广泛研究与所取得的良好进展，国内相关企业与科研院所在高强钢延迟断裂领域的研究相对较少，限制了高强钢的进一步发展，所涉及的一些基本问题亟待解决。

2延迟断裂行为的影响因素

金属材料的延迟断裂行为是在材料、环境和应力三者共同作用下发生的，与材料的特性以及受力状态、服役环境密切相关。

相比于受力状态和服役环境的不可控性，人们更关注材料方面的影响因素。

（1）材料强度的影响。

一般来讲材料的强度越高，其延迟断裂敏感性越大。

如图1［1］所示，六种螺栓钢的抗拉强度分别为A:

1078MPa，B:

1303MPa，C:

1568MPa，D:

1537MPa，E:

1627MPa和F:

1450MPa。

当材料强度提高时（A，B，F＜D＜C＜E），D、C、E三种钢材在较低的临界扩散氢含量下即发生断裂，且这三种材料发生断裂的比例随着强度的逐步提高显著升高。

一般认为1000MPa是一个危险水平，即抗拉强度低于1000MPa时钢材耐延迟开裂的性能相对较好，而当材料强度大于1000MPa时，其延迟断裂敏感性较高。

（2）合金成分的影响。

不同的合金元素会对材料的延迟断裂行为产生不同的影响。

如图2［2］所示，随着钢中（Mn+0.5Si+S+P）含量的升高，4340系列钢材发生氢致延迟断裂的临界应力强度因子随之下降，说明其断裂敏感性逐渐升高。

这是由于钢中C、S、P、Si、Mn等元素的偏析会促进腐蚀环境下氢的吸收，从而增大材料的氢致延迟断裂敏感性，使材料在较低的应力水平下即发生断裂;

另一方面，Ti、V、Mo、Ni、Nb等元素可细化晶粒，提高材料的韧性，减少偏析，而且所形成的细小析出物有利于形成氢的捕获陷阱，从而降低材料的延迟断裂敏感性;

此外，也有研究指出，Al元素的添加可以显著改善含锰TWIP钢的氢致开裂敏感性［3］。

（3）微观组织的影响。

由于氢在不同组织中的扩散速度和储存能力不同，因此材料的微观组织对延迟断裂敏感性的影响很大，即使是相同的合金成分和抗拉强度，不同微观组织的材料也会表现出不同的延迟断裂敏感性。

从金相组织上讲，相比于奥氏体和全珠光体组织，如图3［4］所示，铁素体—马氏体和单一马氏体组织钢材具有更高的氢致延迟断裂敏感性。

此外，相同的应力水平下，加工诱发马氏体的含量越高，延迟断裂敏感性越大;

在相同的强度水平下，含Mo的高温回火马氏体组织，比普通回火马氏体钢的极限扩散氢含量高，延迟断裂敏感性降低［4］。

另一方面，材料微观组织上的不均匀性，如晶界、相界等，由于原子错排和局部应力场的存在，会成为氢的捕获陷阱或氢快速传输的通道，从而影响材料的氢致延迟开裂行为。

在面心立方金属中，Σ3（111）孪晶界由于其密排结构的原子排列，将有效阻挡氢原子的传输。

此外，降低晶粒尺寸，晶界处吸附的氢含量减少，也有利于改善材料的沿晶界延迟断裂敏感性。

（4）加工缺陷的影响。

高强钢的加工会经历弯曲、拉拔、冷轧等工艺，不同的加工方式会在材料上留下微孔、微裂纹和位错等缺陷，这些缺陷位置会成为氢的捕获陷阱或者提供氢原子快速传输的通道，在外力作用下还会在缺陷位置形成应力集中，它们会对材料的氢致延迟开裂行为产生较大的影响。

（5）受力状态的影响。

一方面金属构件在服役过程中会受到各种外力的作用，另一方面材料本身也会因为不同的加工成型过程而产生不同的残余应变状态。

高强钢的主要成型工艺有折弯、扩孔和翻边、浅拉伸等，这些加工残余应变的存在会促进延迟断裂的发生。

最新研究认为，加工过程中产生的残余应变是外加应力和材料中的可扩散氢含量之外的第三大导致高强钢延迟断裂失效行为发生的重要因素。

如图4所示，氢致延迟断裂行为发生的敏感区处于高外加应力、高应变和高浓度扩散氢含量的重合区［5］。

（6）环境的影响，环境主要是会影响氢向金属材料内部的渗透。

金属在各种致氢环境中，如氢气、H2S气体和水溶液、水介质、丙酮等有机溶液中，氢致延迟断裂敏感性会大大增加。

根据环境中氢来源的不同，高强钢的氢致延迟断裂行为主要分为以下两类:

①服役环境渗入的氢（外氢）引起的延迟断裂，如桥梁用高强钢，在潮湿大气、雨水等环境中长期暴露发生腐蚀，由腐蚀反应生成的氢侵入钢中而发生延迟断裂。

②酸洗、电镀、焊接等制造过程中侵入钢中的氢（内氢）引起延迟断裂。

以焊接为例，它是一个局部冶炼过程，局部高温可使焊条及药皮中所含的水分分解成氢原子进入金属。

这些过程引入的氢含量较高，因此钢材常常在施加应力后的几小时或几天内即发生延迟断裂失效。

3氢致延迟断裂机理

3.1经典理论

关于氢致延迟断裂的机理，近年来已经进行了广泛的研究，但问题还远远没有解决。

已经提出的经典理论主要有:

氢压理论［6］、氢降低表面能理论［6］、氢降低原子键合力理论［7］以及氢致局部塑性变形理论［8］等。

氢压理论认为高温高压条件下氢会与钢中的碳结合生成甲烷，原子氢在内部缺陷处沉淀形成分子氢也会产生巨大的内压。

该理论用来解释钢中白点、焊接冷裂纹、酸洗、H2S中浸泡或电解充氢时产生的氢鼓泡和微裂纹是很成功的。

氢降低表面能理论认为吸附的氢会降低形成裂纹所需的表面能，氢降低原子键合力（即弱键）理论认为氢在界面等位点聚集会降低点阵的键能。

这两种理论本质上是一致的，因为键合力是原子相互作用力曲线的最大值，而表面能是该曲线下的面积，氢降低键合力的同时必然会降低表面能，反之亦然。

上述三种理论均认为氢致裂纹的产生和扩展是原子面在正应力作用下的整体解理过程，即氢致脆性的过程。

与此相反，氢致局部塑性变形理论则认为任何断裂过程都是局部塑性变形的结果。

该理论认为，在存在应力梯度的条件下，如裂纹尖端附近，由于应力诱导扩散，原子氢能富集在裂纹尖端局部区域。

当有效氢浓度达到临界值时，可以使局部区域的表观屈服应力明显下降，于是在较低的应力作用下就能产生氢致滞后塑性并导致滞后断裂，而且局部区域表观屈服应力的下降量明显地依赖于钢的强度和初始氢含量。

Barnoush［9］提出新的解释认为金属材料中氢的存在会降低位错线的形成能，从而降低铁素体组织发生塑性变形所需要的应力，使材料在很低的应力下就会发生断裂。

Robertson［10］也从位错的角度阐述了氢致局部塑性变形理论，认为存在两种机制:

一是氢可以屏蔽位错的应力场，从而促进位错移动;

二是氢可以稳定位错的边界构成从而促进晶面滑移。

3.2经典理论的前沿问题

尽管人们早在一个世纪以前就已经意识到氢致断裂的问题，但是相应的失效机理仍不清楚。

关于各种不可逆氢致损伤机理，目前已形成一致的认识，但对于由原子氢扩散、富集而引起的可逆氢致塑性损失和氢致滞后开裂机理，仍有很大争议。

氢压理论，对与应力及时间有关的氢致延迟开裂并不适用。

氢降低表面能理论和氢降低原子键合力理论的本质是一致的，然而重新充氢不能使止裂的裂纹重新扩展，氢并不能降低与原子键合力有关的弹性模量，即氢并不降低铁原子的键合力。

氢致局部塑性变形理论认为，任何断裂过程都是局部塑性变形的结果，氢能促进局部塑性变形，从而促进断裂。

但是，对于氢在塑性变形导致早期断裂过程中所起的作用还不清楚，也就是说，目前还无法解释为何氢促进塑性变形的同时，能促进脆性断裂或降低断裂应变。

如何用氢致局部塑性变形理论来解释氢致韧断和氢致韧脆转变，目前仍不清楚。

另外，关于氢致沿晶断裂，如果晶界处偏聚有害杂质，一般用氢和杂质相互作用降低晶界原子键合力来解释。

但如果晶界不存在杂质偏聚，用弱键理论很难解释氢致沿晶断裂对应力的依赖关系。

如何用氢促进局部塑性变形理论来解释氢致沿晶断裂也是研究的重点。

总起来讲上述四种经典理论都有其局限性，将氢致局部塑性变形理论和弱键理论、氢压理论联合起来，是今后研究的一个方向，有可能发展新的氢致开裂理论以解释氢致韧断和氢致韧脆转变机理。

4延迟断裂性能实验室评价方法

材料的延迟断裂性能受到许多因素影响，目前尚未形成通用的评价标准。

对材料进行评价的理想情况是使用实物构件在实际服役环境中进行试验，但由于试验周期很长因而极少使用。

在实验室评价材料的延迟断裂性能往往采用加速型方法来进行相对评价。

目前，常见的延迟断裂试验方法有如下几种:

（1）恒载荷延迟断裂试验。

这种试验通常采用光滑或带缺口的圆棒或平板试样在恒载荷下拉伸，或者采用带缺口的悬臂弯曲试样、四点弯曲试样等。

对于此类试验，一般用临界应力、断裂时间或者临界氢浓度来评价材料的延迟断裂敏感性。

（2）恒应变延迟断裂试验。

恒应变延迟断裂试验是使试样处于恒定应变的受力状态下，其主要特点是简单、经济、试样紧凑，不需要特殊的装置，仅利用夹具或螺栓紧固即可获得应力。

试样的实际应力随工作截面的减少而降低。

一般通过测定延迟断裂试样占总试样数目的百分比或试样断裂的时间，来比较材料延迟断裂的敏感性。

一些国外先进车厂和零部件供应商目前均采用这种方法对汽车用钢的延迟断裂性能进行评价，并形成了相应的通用标准。

（3）慢应变速率拉伸试验。

恒载荷和恒应变等延迟断裂试验方法在测定材料延迟断裂敏感性时耗时太长，而且通常都人为地规定一个限定的时间。

因此，采用恒应变和恒载荷试验方法往往得不到确切的试验结果，而且试验结果的分散度较大。

目前国内外已广泛采用慢应变速率拉伸试验（SSRT）方法，以促进试样在很短的时间内发生延迟断裂并能敏感地反映材料的延迟断裂性能。

通常用塑性（断面收缩率、伸长率）损失、最大断裂应力、断裂时间和吸收能量等指标评价给定材料—介质体系对延迟断裂的敏感性。

（4）断裂力学试验。

这类方法采用预制裂纹试样，其优点主要是:

①缩短了裂纹产生的时间;

②真实反映了实际构件中难免存在宏观缺陷的情况;

③可直接使用线弹性断裂力学公式;

④评价判据KISCC或KIH不随试样而变，可以应用于设计。

但是这种方法只是评价氢致裂纹的扩展，对于裂纹的产生不能提供任何信息。

（5）冲杯试验。

作为一种标准化的氢致开裂评价方法，冲杯试验在欧洲应用得较为广泛。

相比于U弯试验，冲杯试验中发生氢致开裂的临界应变与临界氢含量更高，也即冲杯试验中材料在更高的应变和可扩散氢含量条件下才会发生氢致开裂。

由于高强钢的延迟断裂是钢中的氢引起的，除了受材料因素的影响外，还依存于环境因素和应力因素，而钢中许可的临界氢含量和环境氢的定量化还没有统一，因此目前尚没有统一的延迟断裂试验方法。

探索像屈服强度或抗拉强度那样的材料本征特性评价指标就成了下一步研究工作的热点之一。

5结语

随着进一步开发与应用，高强钢的耐氢致延迟开裂性能较差作为一个世界性的难题，已经受到广泛关注。

相对于科研院所对基础理论和相关影响因素的深入探索，国内外工业界在高强钢延迟断裂性能评价与改善方法上开展了广泛研究，相关实验室评价方法相对成熟，并形成了一些通用的标准。

在宝钢，扩散氢分析仪也投入到研究中，可进行钢中微量可扩散氢含量的精确测量，对于建立高强钢的延迟断裂敏感性与材料中可扩散氢含量之间的关系将发挥重要作用。

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doi:

10.3969/j.issn.1008-0716.2015.03.002

黄发博士1985年生2013年毕业于中国科学院金属研究所现从事金属腐蚀与防护电话26649556E-mailhuangfa@