隨著(zhù)工程機械、汽車(chē)等行業(yè)的快速發(fā)展，為降低成本、增“強”減重，以實(shí)現節能降耗的目標，國內外廣泛探索工程機械及汽車(chē)的輕量化方法。要最大限度地減輕設備質(zhì)量，一個(gè)有效的途徑就是提高鋼的強度級別。近年來(lái)，工程機械用鋼從500~600MPa級快速上升至800MPa、1000MPa，甚至1500MPa。然而，隨著(zhù)強度提高，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)成為制約高強度級別鋼種推廣應用的一個(gè)重要因素。
高強鋼的氫致延遲斷裂現象
延遲斷裂是材料在靜止應力的作用下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后突然發(fā)生脆性破壞的一種現象，它是材料—環(huán)境—應力之間相互作用的結果，是氫致材質(zhì)惡化的一種形態(tài)。延遲斷裂現象的產(chǎn)生是由于材料內部的氫向應力集中的部位擴散聚集，這些應力集中的部位往往缺陷較多（原子點(diǎn)陣錯位、空穴等），氫擴散到這些缺陷處，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)壓力與材料內部的殘余應力以及材料服役狀態(tài)下所承受的外加應力，形成一個(gè)合力，當這個(gè)合力超過(guò)材料的屈服強度時(shí)，就會(huì )導致斷裂的發(fā)生。
由于延遲斷裂常常在材料所承受的外加應力水平顯著(zhù)低于其屈服強度時(shí)突然發(fā)生，具有其不可預知性，因此，往往導致較為嚴重的破壞和后果。隨著(zhù)超高強度級別鋼的發(fā)展及其應用領(lǐng)域的不斷拓展，延遲斷裂現象受到更大程度的關(guān)注。以汽車(chē)零部件為例，其產(chǎn)品形狀復雜，變形量大，車(chē)廠(chǎng)、零部件制造商及材料供應商對延遲斷裂性能更加重視，已經(jīng)成為材料性能認證項目之一。
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)。
材料強度的影響。一般來(lái)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(gè)危險的水平，即抗拉強度低于1000MPa時(shí)鋼材耐延遲開(kāi)裂的性能相對較好，而當材料強度大于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，隨著(zhù)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(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(zhù)改善含錳TWIP鋼的氫致開(kāi)裂敏感性。
微觀(guān)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(guān)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(shí)，材料微觀(guān)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(chǎng)的存在，會(huì )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(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。
加工缺陷的影響。高強鋼的加工會(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的通道，在外力作用下還會(huì )在缺陷位置形成應力集中，它們會(huì )對材料的氫致延遲開(kāi)裂行為產(chǎn)生較大的影響。
受力狀態(tài)的影響。一方面，金屬構件在服役過(guò)程中會(huì )受到各種外力的作用；另一方面，材料本身也會(huì )因為不同的加工成型過(guò)程而產(chǎn)生不同的殘余應變狀態(tài)。高強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(huì )促進(jìn)延遲斷裂的發(fā)生。最新研究認為，加工過(guò)程中產(chǎn)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)生的敏感區處于高外加應力、高應變和高濃度擴散氫含量的重合區。
環(huán)境的影響。環(huán)境主要是會(huì )影響氫向金屬材料內部的滲透。金屬在各種致氫環(huán)境中，如氫氣、H2S氣體和水溶液、水介質(zhì)、丙酮等有機溶液中，氫致延遲斷裂敏感性會(huì )大大增加。根據環(huán)境中氫來(lái)源的不同，高強鋼的氫致延遲斷裂行為主要分為以下兩類(lèi)：一類(lèi)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(cháng)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(lèi)是酸洗、電鍍、焊接等制造過(guò)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(gè)局部冶煉過(guò)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(guò)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(shí)或幾天內即發(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(lái)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，但問(wèn)題還遠遠沒(méi)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）理論均認為，氫致裂紋的產(chǎn)生和擴展是原子面在正應力作用下的整體解理過(guò)程，即氫致脆性的過(guò)程。與此相反，氫致局部塑性變形理論則認為任何斷裂過(guò)程都是局部塑性變形的結果。該理論認為，在存在應力梯度的條件下，如裂紋尖端附近，由于應力誘導擴散，原子氫能富集在裂紋尖端局部區域。當有效氫濃度達到臨界值時(shí)，可以使局部區域的表觀(guān)屈服應力明顯下降，于是在較低的應力作用下就能產(chǎn)生氫致滯后塑性并導致滯后斷裂，而且局部區域表觀(guān)屈服應力的下降量明顯依賴(lài)于鋼的強度和初始氫含量。
總體來(lái)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(lái)，是今后研究的一個(gè)方向，有可能發(fā)展新的氫致開(kāi)裂理論以解釋氫致韌斷和氫致韌脆轉變機理。
延遲斷裂性能實(shí)驗室評價(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)標準，在實(shí)驗室評價(jià)材料的延遲斷裂性能往往采用加速型方法來(lái)進(jìn)行相對評價(jià)。目前，常見(jiàn)的延遲斷裂試驗方法有如下幾種：
恒載荷延遲斷裂試驗。這種試驗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(lèi)實(shí)驗，一般用臨界應力、斷裂時(shí)間或者臨界氫濃度來(lái)評價(jià)材料的延遲斷裂敏感性。
恒應變延遲斷裂試驗。恒應變延遲斷裂試驗是使試樣處于恒定應變的受力狀態(tài)下，其主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟、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力。試樣的實(shí)際應力隨工作截面的減少而降低。一般通過(guò)測定延遲斷裂試樣占總試樣數目的百分比或試樣斷裂的時(shí)間，來(lái)比較材料延遲斷裂的敏感性。
慢應變速率拉伸試驗。目前，國內外已廣泛采用慢應變速率拉伸試驗（SSRT）方法，以促進(jìn)試樣在很短的時(shí)間內發(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(cháng)率）損失、最大斷裂應力、斷裂時(shí)間和吸收能量等指標評價(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。這類(lèi)方法采用預制裂紋試樣，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)際構件中難免存在宏觀(guān)缺陷的情況；可直接使用線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)公式；評價(jià)判據KISCC或KIH不隨試樣而變，可以應用于設計。但是這種方法只是評價(jià)氫致裂紋的擴展，對于裂紋的產(chǎn)生不能提供任何信息。
沖杯試驗。作為一種標準化的氫致開(kāi)裂評價(jià)方法，沖杯試驗在歐洲應用得較為廣泛。相比于U彎試驗，沖杯試驗中發(fā)生氫致開(kāi)裂的臨界應變與臨界氫含量更高，也即沖杯試驗中材料在更高的應變和可擴散氫含量條件下才會(huì )發(fā)生氫致開(kāi)裂。
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