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氫如何致高強鋼延遲斷裂？
2022年12月28日 14:22點擊：154作者：深圳市泰立儀器儀表有限公司來源：深圳市泰立儀器儀表有限公司>>進入該公司展臺
隨著工程機械、汽車等行業(yè)的快速發(fā)展，為降低成本、增“強”減重，以實
現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，國內(nèi)外廣泛探索工程機械及汽車的輕量化方法。要*大限度
地減輕設(shè)備質(zhì)量，一個有效的途徑就是提高鋼的強度級別。近年來，工程機械用
鋼從 500~600MPa 級快速上升至 800MPa、1000MPa，甚至 1500MPa。然而，隨著強度提高，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(yīng)用的一個重要因素。
高強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)力集中的部位擴散聚集，這
些應(yīng)力集中的部位往往缺陷較多（原子點陣錯位、空穴等），氫擴散到這些缺陷
處，氫離子合成氫原子，氫原子進一步合成氫分子，將產(chǎn)生巨大的壓力。這個壓
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，形成一個合力，
當(dāng)這個合力超過材料的屈服強度時，就會導(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度時突
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)。
材料強度的影響。一般來講材料的強度越高，其延遲斷裂敏感性越大。一般
認(rèn)為 1000MPa 是一個危險的水平，即抗拉強度低于 1000MPa 時鋼材耐延遲開裂的
性能相對較好，而當(dāng)材料強度大于 1000MPa 時，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 等元素的偏析會促進腐蝕環(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。高強鋼的加工會經(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(yīng)變的存
在會促進延遲斷裂的發(fā)生。*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)
力和材料中的可擴散氫含量之外的第三大導(dǎo)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(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(rèn)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(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，如裂紋附近，由于應(yīng)力誘
導(dǎo)擴散，原子氫能富集在裂紋局部區(qū)域。當(dāng)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(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
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。
延遲斷裂性能實驗室評價方法
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標(biāo)準(zhǔn)，
在實驗室評價材料的延遲斷裂性能往往采用加速型方法來進行相對評價。目前，
常見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、四點彎曲試樣等。對于此類實
驗，一般用臨界應(yīng)力、斷裂時間或者臨界氫濃度來評價材料的延遲斷裂敏感性。
恒應(yīng)變延遲斷裂試驗。恒應(yīng)變延遲斷裂試驗是使試樣處于恒定應(yīng)變的受力狀
態(tài)下，其主要特點是簡單、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(yīng)力。試樣的實際應(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間，來比較材料延遲斷裂
的敏感性。
慢應(yīng)變速率拉伸試驗。目前，國內(nèi)外已廣泛采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗（SSRT）
方法，以促進試樣在很短的時間內(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、*大斷裂應(yīng)力、斷裂時間和吸
收能量等指標(biāo)評價給定材料-介質(zhì)體系對延遲斷裂的敏感性。
斷裂力學(xué)試驗。這類方法采用預(yù)制裂紋試樣，其優(yōu)點主要是：縮短了裂紋產(chǎn)
生的時間；真實反映了實際構(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；評價判據(jù) KISCC 或 KIH 不隨試樣而變，可以應(yīng)用于設(shè)計。但是這
種方法只是評價氫致裂紋的擴展，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(biāo)準(zhǔn)化的氫致開裂評價方法，沖杯試驗在歐洲應(yīng)用得較
為廣泛。相比于 U 彎試驗，沖杯試驗中發(fā)生氫致開裂的臨界應(yīng)變與臨界氫含量更
高，也即沖杯試驗中材料在更高的應(yīng)變和可擴散氫含量條件下才會發(fā)生氫致開裂。
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