氢致脆化区开裂模型应用于计算门楹值应力强度因子

依据氢进入裂纹尖端区促进局部塑性流动的认识，本建议并发展了一个氢致脆化区开裂模型。首次推导出了确定氢致裂纹扩展门楹值应力强度因子以及环境氢压与门楹值应力强度因子关系的理论公式，定性和定量的分析相符于ＡＩＳＩ４３４０超高强钢的实验结果。     

焊接氢致延迟裂纹的研究

本文采用焊接热模拟高温充氢试样和实际焊接接头试样进行弯曲试验,并用电视录像方法观察和拍摄了氢致延迟裂纹的动态过程,定量地评定了不同材料、不同扩散氢含量和应变量对氢致裂纹敏感性的影响,研究了试样厚度对裂纹形成和扩展的影响。试验结果表明:①焊接热模拟高温充氢试样的弯曲试验方法可以定量评定含氢量和应变量对氢致裂纹敏感性的影响;②厚度为3mm 和5mm 的弯曲试样,裂纹首先在试样内部形核,内部裂纹的扩展领先于表面塑性变形区,所以厚试样的表面塑性变形区并非是氢致裂纹亚临界扩展过程中裂纹前端的塑性区,因而仅从厚试样的表面现象研究裂纹的动态过程是不适宜的。厚度为2mm 的试样表面先裂,裂纹在试样表面裂得快,可以用它来观察氢致裂纹的动态过程;③对试样断口进行了扫描电镜观察,发现随着试样含氢量的增加,IG 增加,QC 的塑性变形痕迹减小,韧窝变细。     

AISI 4340钢的氢致裂纹扩展和扩展率的控制步骤

本文指出AISI 4340钢(204℃回火)在蒸镏水、氢气和硫化氢中氢致裂纹扩展可能的控制步骤。在介质与钢表面反应较慢时,例如在水或氢气中,此阶段裂纹扩展率是受到表面反应所控制.在介质与钢表面反应较快时,例如在硫化氢中,控制步骤在低气压时是气体传播到裂纹尖端;高气压时是氢原子由裂纹表面扩散到脆化区.这种扩展率控制步骤的指证是考虑了断裂力学实验,表面反应动力学、断口分析和氢扩散数据,以及相关的裂纹扩展模型的一致性.     

钢中氢致裂纹机构研究

用抛光的恒位移试样对处理到不同强度(σ_b=92～185公斤/毫米~2)的4种低合金钢在各种致氢环境(如电解充氢、纯氢、气体H_2S、水介质、H_2S水溶液、缓蚀剂水溶液、丙酮、酒精等有机溶液)下跟踪观察了氢致裂纹的产生和扩展过程。与此同时也测量了各种致氢环境(电解充氢、H_2S水溶液、水溶液、水中阴极化和阴极极化)下的K_(ISCC)(或K_(IH))和da/dt。并研究了它们随强度变化的规律。 结果表明,当加载裂纹前端的K_I>K_(ISCC)(K_(IH))后,在上面所说的任何一种致氢环境下都能产生氢致滞后塑性变形,并由此导致裂纹的产生和扩展。即随着氢的扩散进入,原裂纹前端塑性区及其变形量逐渐增大。对超高强钢,在滞后塑性区端点形成不连续的氢致裂纹,它们随滞后塑性变形的发展逐渐长大以致互相连接。当强度降低时,氢致裂纹沿滞后塑性区边界连续地向前扩展。这就表明,在Ⅰ型裂纹条件下,“氢脆”是氢致滞后塑性变形的必然结果。 在所有致氢环境下,止裂K_(ISCC)(K_(IH))均随钢的强度下降而升高。强度相同时,水中加缓蚀剂和阳极极化使K_(ISCC)升高,阴极极化使K_(ISCC)下降,,da/dt升高,而在H_2S饱和溶液以及加载电解充氢时K_(ISCC)(K_(IH))最低,da/dt最高。 实验也表明,在电解充氢条件下还能以另一种机构形成裂纹。它们的产生和     

氢对表观屈服强度的影响——氢致滞后塑性变形的原因研究

应用光滑拉伸试样,弯曲试样以及预裂纹WQL型试样具有对广泛拉伸强度的多种低碳及低合金钢研究了电解充氧对表观屈服强度的影响,并对氢致滞后塑性变形进行了金相观察。结果表明:氢对光滑拉伸试样屈服强度的影响不明显。随钢种不同,充氢后屈服强度可能没有变化,也可能升高或降低,但其差值小于10％。对存在应力梯度的无裂纹弯曲试样以及预裂纹WOL试样,当钢的强度和进入的氢量超过临界值后氢能使表观屈服强度明显降低,从而引起氢致滞后塑性交形,最终导致氢致滞后裂纹的产生和扩展。随钢的强度升高,进入的氢量增加,氢致表观屈服强度下降也愈明显。另外,具有更大应力梯度和三向应力的裂纹试样,下降效应比无裂纹弯曲试样更为明显。氢致表观屈服强度下降作用是扩散控制过程,明显依赖变形速度和试验温度。另外,它具有可逆性,随着氢的逐渐消除,表观屈服应力也逐渐回到未充氢状态的数值。氢致表观屈服强度下降和原始变形量及是否存在加工硬化关系不大。根据上述实验事实,本文对屈服强度下降的原因作了探讨。     

用声发射及断口分析法研究高强钢插销试件氢致裂纹的产生及扩展

用声发射法对高强钢插销试件的氢致裂纹的启裂，扩展以及断裂过程进行了试验研究。发现在环形缺口的插销试件中延迟裂纹的启裂位置是有规律性的，根据Ａ．Ｅ波形可将整个过程划分为启裂、延迟扩展、快速扩展、瞬时断裂四个时期，在断口上也可看到相应的分区，二者之间的对应关系取决于应力、氢．组织诸条件。 此外，还探讨了含氢量、Ｈ ＡＺ组织与性能对断口微观形貌的影响。     

插销断口韧断区中氢致缺陷的研究

观测在插销断口中韧断区出现的氢致缺陷:脆断点、白点、鱼眼,并对这三种缺陷的尺寸、形态及含氢量对它们的影响进行了分析研究。同时对它们之间的相互关系进行了探讨。     

SA508-Ⅲ钢的氢致脆性行为

采用高温高压气相热充氢方法,将氢充入SA508-Ⅲ钢.在常温下,研究了氢与SA508-Ⅲ钢的拉伸变形行为的交互作用,以澄清钢的氢致脆性机理,为核电用钢的安全设计提供理论依据.结果表明,充氢使钢的屈服强度略升高,而钢的断面收缩率明显降低.充氢后钢的拉伸断口由纯微孔聚集型断口转变为韧窝加河流花样复合型断口.钢的屈服强度升高主要归因于在弹性变形阶段氢对位错的钉扎,从而阻碍了位错开动.然而在塑性变形阶段,氢随可动位错迁移并不断富集于碳化物与基体界面处,当氢浓度达到一定值时,造成碳化物与基体之间的结合强度降低,从而引起钢的塑性降低.     

氢致开裂的TEM原位拉伸观察与研究

通过对颈充氢３１０不风薄膜在透射电镜（ＴＥＭ）下的原位拉伸观察，并和不含氢试样的结果相比较，研究了氢在韧－脆转变中的作用及氢致脆断机理，结果表明，氢使奥氏体不锈钢由韧变脆的根本原因是氢降低了微裂纹形核时的临界应力强度因子，从而抑制ＤＦＺ中纳米级微裂纹向空洞的转化。     

铝合金的应力腐蚀和氢致裂纹研究

用抛光的恒位移试样在加载条件下跟踪观察了高强度铝合金在充氢条件下氢致裂纹的产生和扩展过程,结果表明,裂纹前端的塑性区随时间而逐渐增大,当它发展到临界条件时就导致氢致滞后裂纹的产生和扩展。在高纯水及3.5％NaCl水溶中应力腐蚀裂纹的产生和扩展也是以氢致滞后塑性变形为先导的。研究了试验温度对K_(ISCC),da/dt和稳定放氢总量的影响。结果表明,随试验温度升高,K_(ISCC)急剧下降,da/dt升高。这和试样在PH≤3.5的HCl溶液中浸泡充氢后的放氢总量随温度升高相一致。也研究了不同极化电压对da/dt以及放氢总量的影响,结果表明阴极极化和阳极极化均使da/dt升高,但阳极极化更为明显,这和极化对放氢量的影响相一致。纯水中加NaCl将使室温K_(ISCC)明显下降,但对高温时的K_(ISCC)影响不大,这和NaCl能使室温充氢后的放氢量明显增加,但对高温充氢后的放氢量影响很小相一致     

氢对X80钢在库尔勒土壤模拟溶液中应力腐蚀开裂行为的影响

采用电化学充氢技术、动电位扫描技术、交流阻抗技术(EIS)和慢应变速率拉伸试验(SSRT)研究库尔勒土壤模拟溶液中氢对X80管线钢应力腐蚀开裂(SCC)行为的影响,并利用扫描电镜(SEM)观察试样断口形貌。研究结果表明:充氢电流密度和充氢时间的增加均能加速金属腐蚀反应;随着充氢量的增大,试样自腐蚀电位呈下降趋势,腐蚀速率逐渐增大,氢促进了X80钢在库尔勒模拟溶液中腐蚀的发展;电化学充氢后,X80钢的应力腐蚀开裂行为主要由氢致开裂(HIC)作用决定,阳极溶解过程只起到辅助裂纹形核的作用,因为氢能引起材料局部塑性变形,促进裂纹尖端形核和扩展。     

不锈钢Ⅲ型试样的氢致开裂和应力腐蚀

研究了奥氏体不锈钢Ⅲ型试样的氢致开裂和应力腐蚀。结果表明,动态充氢时Ⅲ型试样也能发生氢致滞后断裂,且裂纹沿原缺口平面形核和扩展。从而可获得宏观平滑的扭转断口,但断口上存在少量沿45°面的二次裂纹,一系列实验表明动态充氢能促进奥氏体不锈钢室温蠕变,故在恒扭矩下充氢能使扭转角不断增大,直至试样被扭断。奥氏体不锈钢Ⅲ型试样在42％沸腾MgCl_2溶液中也能发生应力腐蚀开裂,且裂纹在与缺口平面成45°的平面上形核和扩展。实验表明,无论是Ⅰ型还是Ⅲ型,应力腐蚀的门槛值均比氢致滞后断裂门槛值要低,例如K_(ⅠSCC)/K_(ⅠX)=0.18,K_(ⅠH/K_(ⅠX)=0.58,K_(ⅢSCC)/K_(ⅢX)=0.13 K_(ⅢH)/K_(ⅢX)=0.62。     

铁路桥梁钢及焊缝的CTOD性能

为了解铁路钢桥构件材料的弹塑性断裂韧性性能,对常用桥梁钢——Q370qE和Q345qD钢的各种板厚的母材、焊缝和熔合线试样进行了20℃至-70℃的直三点弯曲裂纹尖端张开位移(CTOD)试验。数据分析采用"个性化因素剔除"方法,回归得到随温度变化的CTOD临界值δ的通用计算公式。结果表明:δ在材料、温度、板厚不同的情况下,应分别取脆断、韧脆破坏和韧性破坏时的CTOD值;Q370qE钢母材在高于-70℃的环境温度下不会发生脆断,Q345qD钢母材的转脆温度为-42℃;两种钢材焊缝的CTOD性能相近,转脆温度为-24℃;CTOD性能可作为修订常规冲击韧性标准的依据。     

ZG0Cr13Ni4Mo钢在水介质中腐蚀疲劳过程的氢致开裂分析

本文研究了 ZG0Cr13Ni4Mo 钢在水介质里腐蚀疲劳过程中,氢对疲劳裂纹形核及扩展的作用,指出氢致开裂表现在钢中氢的扩散和溶解两个过程,ZG0Cr13Ni4Mo钢氢致开裂过程取决于钢的组织结构状态和有害杂质含量。     

WC-钢复合材料的断裂过程与断口分析

本文用光学金相显微镜在三点弯曲载荷作用下,观察了不同热处理状态的WC-钢复合材料GJW50断裂全过程;用扫描电镜进行了断口分析。结果表明,随着外加载荷增大,试样下表面张应变量ε_θ增大,当达到最大张应力时便产生显微裂纹。其显微裂纹总是在粗大的WC粒子和硬质相WC聚集区的WC粒子间界面以及孔隙处优先萌生。随着应变量增大,已开裂WC粒子中的微裂纹张开粗化,与此同时,尺寸较小的WC粒子开始产生微裂纹;应变量进一步增加,已开裂WC粒子的裂纹进一步张开,向前发生扩展。并对其扩展的可能途径进行了研讨。     

氢致断裂的分析

对汽车发动机的凸轮轴正时齿轮垫圈的断裂事故,用S一570扫描电子显微镜观察断口,结合该零件的制造工艺过程进行断裂原因分析,证实其断裂为典型的氢致断裂。     

夹杂物及硼对低合金高强钢焊接冷裂纹敏感性的研究

本研究工作采用卧式对接插销试验和定载荷氢脆试验对低合金高强钢焊接冷裂纹敏感性进行了探讨,从试验的结果可以认为: 钢中的夹杂物可以作为氢的陷井,吸取更多的氢,因而降低了氢在晶界和局部的集积。所以,在本试验范围内,钢中的夹杂物越多,冷裂纹敏感性将得到改善。含硼的钢,由于增加钢的淬硬性,因此提高了冷裂纹的敏感性。此外硼还能促使氢在晶界集积,造成晶界脆弱。由上所述,使晶內存在适量的夹杂物和尽可能降低钢中的含硼量,可以作为改善冷裂敏感性的重要手段。     

含铜结构钢的氢致开裂

本文通过Ｂａｔｔｅｌｌｅ焊道下开裂试验、ＵＴ氢敏感性试验和插销试验对４种含Ｃｕ结构钢的氢致开裂敏感性作出评价。测得的氢致开裂敏感性顺序为：ＨＳＬＡ－８０Ｍ＞ＨＳＬＡ－８Ｏ－２＞ＨＳＬＡ－８Ｏ－１＞ＤＱ－８０，即随着碳当量降低，氢致开裂敏感性也随之降低。与相同强度级别的传统淬火—回火钢相比，含Ｃｕ结构钢具有较好的防止氢致开裂的性能，可以在室温（ＤＱ－８０）或较低的预热温度下（其它三种钢）进行焊接。根据插销试验的实测数据对下临界应力（ＬＣＳ）的６种计算公式进行验证，发现所有公式的计算值普遍偏低。这是由于存在于含Ｃｕ结构钢粗晶热影响区的奥氏体“袋”具有扩散氢“贮室”及裂纹扩展“屏障”的作用，因而在相同的Ｐ＿ｃｍ情况下，含Ｃｕ结构钢比传统钢种具有更高的ＬＣＳ值。     

钢在H_2S中的应力腐蚀机构

用抛光的WOL型恒位移试样跟踪观察了各种低合金钢在H_2S中应力腐蚀裂纹产生和扩展的规律。结果表明:当钢的强度和K_I均大于临界值之后,在裂纹前端将会发生滞后塑性变形,即裂纹前端塑性区的大小及其变形量将随时间延长而逐渐增加,当这种滞后塑性变形发展到临界状态时就会导致应力腐蚀裂纹的产生和扩展。 对超高强钢来说,当这个滞后塑性区闭合后应力腐蚀裂纹就在其端点形核,随着滞后塑性变形的发展,这些不连续的应力腐蚀裂纹逐渐长大并互相连接。对强度较低的钢,随滞后塑性变形的发展,应力腐蚀裂纹沿着滞后塑性区边界向前扩展。 已经证明这个滞后塑性变形是由氢引起的,称作氢致滞后塑性变形。 利用WOL型试样测量了在H_2S气体以及H_2S饱和水溶液中的K_(ISCC)和da/dt研究了它们随强度变化的规律,以及阴极极化和阳极极化对超高强钢K_(ISCC)和da/dt的影响。     

低合金钢水介质中的应力腐蚀机构

用抛光的恒位移试样对不同钢种、不同强度的高强钢在水介质中应力腐蚀裂纹的产生和扩展进行了金相跟踪观察。结果表明:超高强钢(σ_b≥160公斤/毫米~2的30CrMnSiNi_2A,ZG-18铸钢)应力腐蚀时,裂纹前端塑性区逐渐扩大,闭合后形成不连续裂纹,以后随塑性区中变形量增大主裂纹扩展並与新裂纹相连。当强度降低时,(σ_b≤138公斤/毫米~2的30CrMnSiNi_2A,40CrNiMoA,30CrMnSiA)塑性区随时间增大,但不闭合,随其变形量增大,原裂纹沿弹塑性边界向前扩展。强度更低(σ_b<110公斤/毫米~2的30CrKnSiNi_2A,σ_b≤120公斤/毫米~2的40CrNiMoA)塑性区不增大,裂纹也不扩展。 同样试样在电解充氢条件或干氢条件下,加载裂纹前端同样能产生滞后塑性变形,而且裂纹产生和扩展的情况完全和水介质中类似。由此可知,裂纹前端滞后塑性变形是由氢引起的。 高强钢或超高强钢在水介质中应力腐蚀的机构如下:阴极放氢,它进入裂纹前端引起滞后塑性变形,从而导致裂纹的产生和扩展。