MECHANISM OF HYDROGEN INDUCED CRACKING IN STEELS

用抛光的恒位移试样对不同强度(σ_b=900—1800MPa)的四种低合金钢在各种致氢环境(电解充氢、氢气、H_2S气体、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.与此同时也测量了在这些致氢环境中的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。对超高强度钢,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,氢致滞后塑性是产生氢致滞后裂纹的必要和充分条件。 在所有的致氢环境中,止裂的K_(ISCC)(K_(IH))均随钢的强度下降而升高,da/dt均随钢的强度下降而降低。强度相同时,水中加缓蚀剂和阳极极化使K_(ISCC)升高,da/dt下降,与此相反,阴极极化使K_(ISCC)下降,da/dt升高。而在饱和H_2S溶液以及加载下电解充氢时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     

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 WO 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。     

STRESS CORROSION AND HYDROGEN INDUCED CRACKING BEHAVIOUR IN AN Al ALLOY

用恒位移试样跟踪观察了铝合金在电化学充氢和应力腐蚀条件下氢致裂纹的产生和扩展过程。结果表明,裂纹前端的塑性区及其变形量随时间延长而逐渐增大,当它发展到临界条件时就导致氢致滞后裂纹和应力腐蚀裂纹的产生和扩展。 试验温度、外加极化电压以及氯离子对K_(ISCC)以及da/dt的影响和它们对浸泡充氢后的放氢总量的影响相一致。     

铝合金的应力腐蚀和氢致裂纹研究

用恒位移试样跟踪观察了铝合金在电化学充氢和应力腐蚀条件下氢致裂纹的产生和扩展过程。结果表明,裂纹前端的塑性区及其变形量随时间延长而逐渐增大,当它发展到临界条件时就导致氢致滞后裂纹和应力腐蚀裂纹的产生和扩展。试验温度、外加极化电压以及氯离子对K_(ISCC)以及da/dt的影响和它们对浸泡充氢后的放氢总量的影响相一致。     

奥氏体不锈钢应力腐蚀和氢致开裂的机理

通过金相跟踪观察、力学测量及断口分析,研究了奥氏体不锈钢氢致开裂和应力腐蚀的机理.结果表明,无论是不稳定型(321)还是稳定型(310)奥氏体不锈钢,电解充氢时先产生塑性变形,当它发展到临界状态时就导致氢致裂纹的形核.但在42%MgCl_2沸腾溶液中应力腐蚀时,裂纹的形核和滞后塑性变形无关.两种(321)輿氏体不锈钢应力腐蚀的门槛值K_(ISCC)远比严重充氢时氢致开裂的门槛值K_(IH)要低.两者的断口形貌也不同,应力腐蚀是解理断口,且和K_I无关.而氢致开裂断口和K_I有关,K_I高是韧窝,K_I低则获得准解理断口.实验表明,氢在奥氏体不锈钢应力腐蚀(沸腾MgCl_2介质)过程中并不起主要作用.     

MECHANISM OF SLOW CRACK GROWTH AND STRESS CORROSION CRACKING IN AUSTENITIC STAINLESS STEEL

通过金相跟踪观察、力学测量及断口分析,研究了奥氏体不锈钢氢致开裂和应力腐蚀的机理.结果表明,无论是不稳定型(321)还是稳定型(310)奥氏体不锈钢,电解充氢时先产生塑性变形,当它发展到临界状态时就导致氢致裂纹的形核.但在42%MgCl_2沸腾溶液中应力腐蚀时,裂纹的形核和滞后塑性变形无关.两种(321)輿氏体不锈钢应力腐蚀的门槛值K_(ISCC)远比严重充氢时氢致开裂的门槛值K_(IH)要低.两者的断口形貌也不同,应力腐蚀是解理断口,且和K_I无关.而氢致开裂断口和K_I有关,K_I高是韧窝,K_I低则获得准解理断口.实验表明,氢在奥氏体不锈钢应力腐蚀(沸腾MgCl_2介质)过程中并不起主要作用.     

SPV50Q钢的应力腐蚀开裂实验研究

基于线弹性断裂力学的方法,以SPV50Q钢材为研究对象,选用不同部位的M-WOL楔形张开加载预裂纹试样,对其在不同硫化氢体积分数及不同状态条件下的应力腐蚀开裂性能进行研究。测定出应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt和应力腐蚀开裂临界强度因子K_(ISCC)。结果表明:随着硫化氢体积分数的减小,SPV50Q钢的应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt降低,应力腐蚀临界应力强度因子K_(ISCC)增大。对SPV50Q钢进行热处理后在一定程度上能降低裂纹扩展速率da/dt,同时可提高硫化氢环境下的抗应力腐蚀开裂能力。     

氢致滞后塑性变形机理研究

利用光滑拉伸试样以及带有应力梯度的弯曲试样和预裂纹试样(Ⅰ型、Ⅲ型以及Ⅰ—Ⅲ复合型),研究了氢对产生局部宏观塑性变形所需外应力(称为表观屈服应力)的影响。结果表明,氢对低合金钢的屈服强度影响不大,但如试样中存在拉应力梯度,则当钢的强度和进入试样的氢浓度超过临界值后,氢能使表观屈服应力明显下降,这就是氢致滞后塑性变形的原因。氢致表观屈服应力的下降是由氢的扩散所控制的。它明显依赖加载速度和试验温度。但它随试验温度的变化不是单调的,在室温附近存在一个极值。对仅存在剪应力梯度的Ⅲ型裂纹试样,充氢后表观扭转屈服应力并不降低,沿原裂纹面也不产生滞后裂纹,即K_(ⅢH)=K_(ⅢC),但在和原裂纹面成-45°的平面上却能产生氢致滞后塑性变形和裂纹。对Ⅰ—Ⅲ复合型试样,只有当恒定的K_Ⅰ大到足以单独就能产生滞后塑性变形时才能使表观扭转屈服应力开始下降。提出了一个氢使表观屈服应力下降的机构。     

MECHANISM OF HYDROGEN INDUCED DELAYED PLASTICITY

利用光滑拉伸试样以及带有应力梯度的弯曲试样和预裂纹试样(Ⅰ型、Ⅲ型以及Ⅰ—Ⅲ复合型),研究了氢对产生局部宏观塑性变形所需外应力(称为表观屈服应力)的影响。结果表明,氢对低合金钢的屈服强度影响不大,但如试样中存在拉应力梯度,则当钢的强度和进入试样的氢浓度超过临界值后,氢能使表观屈服应力明显下降,这就是氢致滞后塑性变形的原因。 氢致表观屈服应力的下降是由氢的扩散所控制的。它明显依赖加载速度和试验温度。但它随试验温度的变化不是单调的,在室温附近存在一个极值。 对仅存在剪应力梯度的Ⅲ型裂纹试样,充氢后表观扭转屈服应力并不降低,沿原裂纹面也不产生滞后裂纹,即K_(ⅢH)=K_(ⅢC),但在和原裂纹面成-45°的平面上却能产生氢致滞后塑性变形和裂纹。对Ⅰ—Ⅲ复合型试样,只有当恒定的K_Ⅰ大到足以单独就能产生滞后塑性变形时才能使表观扭转屈服应力开始下降。 提出了一个氢使表观屈服应力下降的机构。     

低合金钢在水介质中的应力腐蚀机构

用抛光的恒位移试样跟踪观察了具有广泛拉伸强度范围的四种低合金钢在各种水溶液中(高纯水、阳极极化和阴极极化下的水溶液,0.1NK_2Cr_2O_7水溶液)以及含痕量水的有机溶剂中(无水酒精,丙酮等)应力腐蚀裂纹产生和扩展的动态过程。结果表明,当钢的强度和K_1大于临界值后,在所用的各种水溶液中都能产生氢致滞后塑性变形,即加载裂纹前端的塑性区及其变形量随时间而逐渐增大。当这个氢致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形核和扩展。无论是阳极极化、阴极极化还是加缓蚀剂均不改变这类滞后塑性变形的特征,也不改变滞后塑性变形和应力腐蚀裂纹的相互关系。     

Ⅲ型裂纹试样的氢致滞后断裂

利用复合型(Ⅰ+Ⅲ型)试样研究了应力状态对氢致表观屈服应力(它是产生局部宏观塑性变形所需的外应力)的影响,探讨了Ⅲ型裂纹试样产生氢脆(即氢致裂纹)的可能性。结果表明,对Ⅲ型裂纹试样,即使严重充氢也不会使表观扭转屈服应力下降。从而也不会沿原裂纹面产生氢致滞后裂纹。对复合型试样,只有当K_Ⅰ本身就能使原裂纹面产生滞后塑性变形时才能使表观扭转屈服应力随K_Ⅰ增大而下降。 对充氢的纯Ⅲ型裂纹试样,当扭矩大于临界值后保持一定时间就能在和原裂纹面成3/4π或-45°的面上产生氢致滞后裂纹,它导致典型的沿晶断口。如充氢试样直接扭断则得沿原裂纹面断裂的平剪切断口。当钢的强度和氢含量低于临界值就不会产生沿3/4π面的滞后裂纹。计算了Ⅲ型裂纹应力场和氢应变场的互作用能。结果表明,在和原裂纹面成3/4π的诸平面上互作用能有极小值,从而导致氢向该面浓集而形成氢致滞后裂纹。     

COMPARISON OF STRESS CORROSION CRACKING BETWEEN CAST AND FORGED STEELS IN WATER

用同一炉钢的铸件和锻件对比研究了在水介质中的应力腐蚀性能。结果表明:铸钢和锻钢应力腐蚀裂纹扩展的激活能相同,均为Q=5540cal/mol,且和氢渗透测出的表观扩散激活能一致。无论是阳极极化还是阴极极化,均使铸钢和锻钢的da/dt升高,但阴极极化较为明显。氢渗透测量表明:不论阳极极化或阴极极化,随着电流增大,饱和氢渗透量明显增加,极化对da/dt和氢渗透通量的影响相似。 试验温度对K_(ISCC)的影响极小,但铸钢的K_(ISCC)明显地比锻钢高。氢渗透测试结果发现锻钢的饱和氢渗透通量约比铸钢大一倍。这与断口观察一致,由此可以解释K_(ISCC)的差异。尽管断口形貌明显依赖开裂时的K_I值,但在K_(ISCC)附近锻钢全是沿品断口,而铸钢则以准解理为主。     

铸钢和锻钢在水介质中应力腐蚀性能的对比研究

用同一炉钢的铸件和锻件对比研究了在水介质中的应力腐蚀性能。结果表明:铸钢和锻钢应力腐蚀裂纹扩展的激活能相同,均为Q=5540cal/mol,且和氢渗透测出的表观扩散激活能一致。无论是阳极极化还是阴极极化,均使铸钢和锻钢的da/dt升高,但阴极极化较为明显。氢渗透测量表明:不论阳极极化或阴极极化,随着电流增大,饱和氢渗透量明显增加,极化对da/dt和氢渗透通量的影响相似。试验温度对K_(ISCC)的影响极小,但铸钢的K_(ISCC)明显地比锻钢高。氢渗透测试结果发现锻钢的饱和氢渗透通量约比铸钢大一倍。这与断口观察一致,由此可以解释K_(ISCC)的差异。尽管断口形貌明显依赖开裂时的K_I值,但在K_(ISCC)附近锻钢全是沿品断口,而铸钢则以准解理为主。     

原子氢和白点对车轮钢力学性能的影响

车轮钢中白点形成的临界可扩散氢浓度为(C_0~*=1．3×10~(-6)(总氢浓度C_T~*=3．7×10~(-6)),当白点数量超过临界值(对应的可扩散氢浓度C_0＞5．6×10~(-6)),则使强度和塑性急剧下降,但实际车轮中白点含量少(Co＜3．9×10~(-6)),对材料的拉伸性能和断裂韧性没有影响,原子氢对断裂韧性K_(IC)没有影响；但如慢拉伸,则使塑性下降,如恒位移加载,则原子氢能引起氢致滞后开裂,其门槛应力强度因子K_(IH)随C_0升高而线性下降,即K_(IH)=57．8—3．9C_0,但白点对氢致滞后开裂没有影响。     

HYDROGEN INDUCED DELAYED CRACKING IN STABLE AUSTENITIC STAINLESS STEELS

用单边裂纹恒载荷试样研究了三种奥氏体不锈钢(18-8,310,K-55)充氢后的氢致滞后开裂行为。三种钢在恒载荷下充氢都出现滞后断裂,其门槛值分别约为K_(IH)/K_c=0.55,0.70和0.80,如果预先充氢再在空气中加载,也能产生氢致滞后开裂,如充氢后除气,则不能,这就表明,无论是不稳定型(18-8)还是稳定型(310,K-55)奥氏体不锈钢都能产生氢致滞后开裂。18-8钢充氢时能发生马氏体相变,从而促进氢致开裂过程,其K_(IH)/K_c比不产生马氏体的310和K-55要低。 所有奥氏体不锈钢的氢致滞后断口形貌都和K_I有关。当滞后断裂的K_I较大时是韧性断口,K_I较小时则是脆性断口。     

氢致裂纹扩展的分形模型

基于氢致裂纹扩展的氢增塑性理论,提出一种氢致裂纹扩展 的分形模型,并根据分形几何理论,建立了金属在氢环境下广义有效表面能Γ(H)与分形 维数D以及氢致裂纹扩展应力强度因子KIH的关系,从而得到D与KISCC的 关系,并进行实验验证,表明方法的正确性.     

稳定型奥氏体不锈钢的氢致滞后开裂

用单边裂纹恒载荷试样研究了三种奥氏体不锈钢(18-8,310,K-55)充氢后的氢致滞后开裂行为。三种钢在恒载荷下充氢都出现滞后断裂,其门槛值分别约为K_(IH)/K_c=0.55,0.70和0.80,如果预先充氢再在空气中加载,也能产生氢致滞后开裂,如充氢后除气,则不能,这就表明,无论是不稳定型(18-8)还是稳定型(310,K-55)奥氏体不锈钢都能产生氢致滞后开裂。18-8钢充氢时能发生马氏体相变,从而促进氢致开裂过程,其K_(IH)/K_c比不产生马氏体的310和K-55要低。所有奥氏体不锈钢的氢致滞后断口形貌都和K_I有关。当滞后断裂的K_I较大时是韧性断口,K_I较小时则是脆性断口。     

Ti55合金电子束焊缝氢致延迟裂纹的扩展机理

钛合金广泛应用于军事航空领域 ,但是一些钛合金在焊接条件下 ,焊缝会产生氢致延迟裂纹 ,其致裂机理尚不十分清楚。通过充氢CT(Compacttension)试件的恒载拉伸试验 ,研究了氢浓度对Ti5 5合金电子束焊缝裂纹尖端应力强度因子门槛值Kth及裂纹扩展速率da/dt的影响规律 ,分析了氢致延迟裂纹扩展的机理。结果表明 ,氢在Ti5 5合金焊缝中的固溶度约为 79× 10 -4%。当充氢浓度C0 低于 79× 10 -4%时 ,随着焊缝氢浓度C0 的增大 ,裂纹开始扩展的应力强度因子门槛值Kth迅速减小 ,而裂纹扩展速率da/dt随着C0 的增大而增大 ;C0 为 79× 10 -4%时 ,Kth为最小值并呈恒值特征。裂纹尖端应力场诱导氢原子扩散导致氢化物TiH2 析出是Ti5 5合金电子束焊缝氢致延迟裂纹扩展的主要机制     

Ni—Fe奥氏体合金的氢脆及成分影响

研究了5种Ni-Fe奥氏体的氢致塑性损失和K_(IC)随成分的变化,发现当Fe含量为60%时,氢致塑性损失极小;Fe为50%时滞后断裂门槛值K_(IH)极小,根据不稳定氢化物含量,固溶氢含量以及位错结构随合金成分的变化解释氢致塑性损失和K_(IH)随成分的变化规律。     

Ti—24Al—11Nb氢致脆断的分形研究

导出了使裂纹脆性扩展的外加应力场强度因子K_I和断口分形维数D_F的关系式其中d_f是断裂单元尺寸,L_o是常数,γ是真实表面能,E’=E或E/(1-v~2)测出1nk_1-D_F直线就可获得真实表面能γ、此方程适用于过载断裂和滞后断裂(如氢致开裂和应力腐蚀) 实验表明,Ti—24Al—HNb在动态充氢时能发生氢致滞后断裂,且门槛值较低,K_(IH)/K_(IC)=0.43实验测出的K_(IC)和氢致裂纹扩展的外加应力场强度因子K_I与其断口D_F的关系和上述理论公式一致