(Ⅰ+Ⅱ)复合型氢致开裂的研究

本文研究了30CrMnSiA高强钢在纯Ⅰ型、纯Ⅱ型和(Ⅰ+Ⅱ)复合型加载条件下的氢致开裂。实验表明,在1NH_2SO_4溶液中预充氢的试件在上述加载条件下均表现出氢致脆性。纯Ⅱ型氢致开裂门槛值K_(ⅡH)/K_(ⅡX)=0.27,与纯Ⅰ型门槛值K_(ⅠH)/K_(ⅠX)=0.29基本相同,而在K_Ⅱ/K_Ⅰ比值为0.27,0.4和0.81时,(Ⅰ+Ⅱ)复合型氢致开裂门槛值分别为0.36,0.41和0.37,表明纯Ⅰ型和纯Ⅱ型具有更高的氢脆敏感性。最后用自Ⅰ型加载向Ⅱ型过渡时,三轴张力和塑性变形程度这二个矛盾因素对氢致开裂的共同作用解释了上述实验结果。     

(Ⅰ+Ⅲ)复合型氢致开裂的研究

本文采用预制有倾斜裂纹的四点弯曲试样研究了30CrMnSi钢的(Ⅰ+Ⅲ)复合型氢致开裂行为。实验结果表明:在连续充氢条件下,K_Ⅲ/K_Ⅰ+0～1.73范围内,不同复合比值的(Ⅰ+Ⅲ)复合型试样的氢致开裂敏感性大致相同。用三轴张力和塑性变形联合致氢富集的观点对上述结果进行了分析,发现塑性变形在氢致开裂过程中同样起着十分重要的作用。     

不锈钢Ⅱ型试样的应力腐蚀和氢致开裂

研究了奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)Ⅱ型试样的应力腐蚀和氢致开裂。实验表明,该试样在沸腾MgCl_2溶液中能产生应力腐蚀,裂纹形核门槛值为K_(ⅡSCC)/K_(ⅢX)=0.16。但裂纹并不在缺口面的最大剪应力处(θ=80°)形核,而是在最大正应力处(θ=-110°)形核,并指向正应力的法线方向。该试样动态充氢时能发生氢致开裂,其门槛值K_(ⅡH)/K_(ⅡX)=0.59,远比应力腐蚀的值要高,当K_Ⅱ较高时,氢致裂纹在最大剪应力处形核。当K_Ⅱ较低时,则在最大三向应力处(θ=-110°)形核。应力腐蚀是解理断口,且与K_Ⅱ无关。而氢致开裂断口则与K_Ⅱ有关,K_Ⅱ较高时是分布有二次裂纹的剪切韧窝断口,K_Ⅱ较低时则是准解理断口。     

Fe-3％Si单晶氢致解理断裂研究

用Fe-3％Si单晶试样对氢致解理断裂进行了研究。结果表明,Fe-3％Si单晶缺口试样在空气中拉伸时一般不发生解理,但在动态充氢条件下,即使室温慢加载也能产生解理断裂。对于Ⅰ+Ⅱ复合型试样,氢致裂纹并不沿断裂力学预示的开裂角扩展,而是沿解理面扩展,即氢促进了解理断裂。无论Ⅰ型还是复合型,氢致解理裂纹的da/dt—KⅠ曲线都由三个阶段组成,但Ⅰ型试样da/dt的平台值明显地比复合型的高。用各向异性断裂力学计算了作用在裂纹前各滑移系上的分切应立力,并配合断口观察确定了解理裂纹形核机理。研究了氢的促进作用。     

超高强度钢Ⅲ型试样的应力腐蚀

研究了超高强度钢Ⅲ型缺口试样在水介质中的应力腐蚀,并与动态充氢条件作了对比。结果表明,超高强度钢Ⅲ型试样在水介质中能产生应力腐蚀,而且裂纹沿着和原缺口面成45°的平面形核和扩展,获得沿晶断口。这些都和Ⅲ型试样动态充氢时氢致开裂的情况相同。水介质中加硫脲,能使Ⅲ型和Ⅰ型的应力腐蚀门槛值明显下降,如动态充氢,则使裂纹的孕育期和门槛值进一步下降,实验也表明,无论动态充氢还是应力腐蚀,Ⅲ型试样的门槛值均比Ⅰ型要高,这可用Ⅲ型和Ⅰ型的平衡氢浓度不同来解释。     

STRESS CORROSION CRACKING IN HIGH STRENGTH STEEL UNDER MODE Ⅲ LOADING

研究了超高强度钢Ⅲ型缺口试样在水介质中的应力腐蚀,并与动态充氢条件作了对比。结果表明,超高强度钢Ⅲ型试样在水介质中能产生应力腐蚀,而且裂纹沿着和原缺口面成45°的平面形核和扩展,获得沿晶断口。这些都和Ⅲ型试样动态充氢时氢致开裂的情况相同。水介质中加硫脲,能使Ⅲ型和Ⅰ型的应力腐蚀门槛值明显下降,如动态充氢,则使裂纹的孕育期和门槛值进一步下降,实验也表明,无论动态充氢还是应力腐蚀,Ⅲ型试样的门槛值均比Ⅰ型要高,这可用Ⅲ型和Ⅰ型的平衡氢浓度不同来解释。     

Ⅱ型试样的氢致开裂和应力腐蚀

用有限元法计算了Ⅱ型缺口前端的应力场和应力场强度因子KⅡ。结果表明,最大正应力和最大三向应力所在位置(θ=-110°)和最大剪应力位置(θ=80°)并不重合;最大正应力的指向和缺口延长线成α=10°。 实验表明超高强度钢Ⅱ型缺口试样能产生氢致滞后开裂,在水溶液中也能发生应力腐蚀。氢致裂纹和应力腐蚀裂纹都在最大三向应力所在位置形核,但裂纹的取向并不和该处的最大正应力垂直,而是指向该处的剪应力方向。如果没有氢,则裂纹在最大剪应力所在位置处形核,并沿最大剪应力方向扩展,即开裂角α=5°。 无论是氢致滞后开裂,还是应力腐蚀,Ⅱ型试样的规一化门槛应力强度因子均比Ⅰ型试样的相应值要高,断口形貌则和Ⅰ型试样的基本相同。     

K_Ⅰ,K_Ⅱ复合型裂纹的脆性断裂

本文用三点弯曲和四点弯曲试样,在K_Ⅱ/K_Ⅰ=0—14的范围内,对GC-4超高强度钢、30Cr2MoV中强度转子钢和稀土球墨铸铁进行了线弹性平面应变复合型脆断试验。结果表明:复合型裂纹的脆断开裂方向与现有的三种复合型理论符合较好;但是,复合型裂纹扩展阻力随K_Ⅱ/K_Ⅰ比值增加而增大,与现有复合型理论差别较大。本文从塑性区的形状、大小和裂纹顶端在开裂方向的应力状态等方面对此问题进行了分析并指出,现有理论关于复合型裂纹扩展阻力与变形特征无关的假设,对于具有一定塑性变形能力的金属材料,是不合适的。文章还对简单且偏于安全的处理复合型问题的工程分析方法作了讨论。     

AN INVESTIGATION ON THE BRITTLE FRACTURE OF K_Ⅰ-K_Ⅱ COMPOSITE MODE CRACKS

本文用三点弯曲和四点弯曲试样,在K_Ⅱ/K_Ⅰ=0—14的范围内,对GC-4超高强度钢、30Cr2MoV中强度转子钢和稀土球墨铸铁进行了线弹性平面应变复合型脆断试验。结果表明:复合型裂纹的脆断开裂方向与现有的三种复合型理论符合较好;但是,复合型裂纹扩展阻力随K_Ⅱ/K_Ⅰ比值增加而增大,与现有复合型理论差别较大。 本文从塑性区的形状、大小和裂纹顶端在开裂方向的应力状态等方面对此问题进行了分析并指出,现有理论关于复合型裂纹扩展阻力与变形特征无关的假设,对于具有一定塑性变形能力的金属材料,是不合适的。文章还对简单且偏于安全的处理复合型问题的工程分析方法作了讨论。     

应力应变条件对氢致开裂的影响

综述了本研究组近年就应力状态及动态加载过程对氢致开裂的影响所作的一些研究。包括（１）Ⅰ型、（Ⅰ＋Ⅱ）及（Ⅰ＋Ⅲ）复合型加载条件下的氢致开裂研究；（２）复合型加载条件下裂纹顶端附近氢浓度的再分布；（３）不同加载条件下氢致裂纹形成位置及其与氢致开裂抗力的关系。     

18-8不锈钢/42％MgCl_2(沸)复合型应力腐蚀研究SCIEI

本文用单轴拉伸中心斜裂纹平板试样对18-8不锈钢/42％MgCl_2(沸)进行了一系列复合型应力腐蚀试验。结果表明,复合型加载条件下,应力腐蚀开裂方向与裂端最大正应力面方向一致;但是应力腐蚀裂纹起始扩展的临界抗力却随K_Ⅱ/K_Ⅰ值增大而降低。根据阳极溶解型应力腐蚀的“滑移溶解”机制,本文从复合型加载比对裂端应力状态及塑性变形程度的影响就上述结果进行了讨论,并指出:在断裂分析中简单地使用Ⅰ型测试结果,并把复合型裂纹当作Ⅰ型裂纹处理是不安全的。     

MIXED MODE SCC OF 18-8 STAINLESS STEEL IN 42％ MgC1_2 SOLUTION

本文用单轴拉伸中心斜裂纹平板试样对18-8不锈钢/42％MgCl_2(沸)进行了一系列复合型应力腐蚀试验。结果表明,复合型加载条件下,应力腐蚀开裂方向与裂端最大正应力面方向一致;但是应力腐蚀裂纹起始扩展的临界抗力却随K_Ⅱ/K_Ⅰ值增大而降低。根据阳极溶解型应力腐蚀的“滑移 溶解”机制,本文从复合型加载比对裂端应力状态及塑性变形程度的影响就上述结果进行了讨论,并指出:在断裂分析中简单地使用Ⅰ型测试结果,并把复合型裂纹当作Ⅰ型裂纹处理是不安全的。     

Fe-3％Si单晶Ⅱ型试样的氢致开裂

研究了Fe-3％Si单晶Ⅱ型试样在恒载荷动态充氢条件下的氢致开裂。结果表明:当拉伸轴为[001]和[(?)10]方向时。归一化氢致开裂门槛值KⅡ_H/KⅡ_x有极小值;而当拉伸轴在[(?)11)向附近时,KⅡ_H/KⅡ_x取极大值。氢致开裂都是沿(001)面的解理断口,但在空气中则可获得韧窝断口。这说明氢促进了Fe-3％Si的解理断裂。另外,观察到氢致二次裂纹的两边平面可以发生上下、前后的错动,这表明在氢致解理开裂过程中发生了严重的氢致滞后塑性变形。从氢助塑性的观点讨论了氢促进解理断裂的原因。     

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。     

加载速率对复合型氢致开裂的影响

通过改变复合型载荷比来改变裂端三轴张力和塑性变形程度，研究了不同加载速率下３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢／０．５ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４体系的Ｉ型及（Ⅰ＋Ⅱ）复合型氢致开裂抗力，探讨加载速率对氢传输、对裂端氢富集浓度以及对Ｉ型、复合型氢致开裂抗力的影响．     

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。     

应力应变条件对氢致开裂的影响

综述了本研究近年就应力状态及动态加载过程对氢致开裂的影响所作的一些研究，包括（１）１型，（Ｉ＋Ⅱ）及（Ⅰ＋Ⅲ）复合型加载条件下的氢致开裂研究；（２）复合型加载条件下裂纹顶端附近氢浓度的再分布，（３）不同加载条件下氢致裂纹形成位置及其与氢致开裂抗力的关系。     

35CrMo钢复合型裂纹的疲劳门槛值

研究了35CrMo钢试样在860℃淬火＋不同温度回火态的复合型裂纹疲劳门槛值。采用对称四点弯曲测定Ⅰ型、反对称四点弯曲测定Ⅰ＋Ⅱ型、斜裂纹对称四点弯曲测定Ⅰ＋Ⅲ型裂纹的疲劳门槛值。试验结果表明：35CrMo钢各种回火组织的Ⅰ＋Ⅱ和Ⅰ＋Ⅲ型疲劳门槛值均低于相应的Ⅰ型疲劳门槛值。Ⅰ型尖裂纹的疲劳门槛值比钝裂纹的低，但Ⅰ＋Ⅲ复合型尖裂纹的疲劳门槛值比钝裂纹的高。35CrMo钢疲劳门槛值随回火温度升高出现峰值。Ⅰ型和Ⅰ＋Ⅲ型在400℃回火态最高，Ⅰ＋Ⅱ型在550℃回火态最高。疲劳门槛值既受强度制约也与塑性有关．对应强度升高的速率与塑性变形两个因素配合适宜时出现峰值。     

连续充氢条件下30CrMnSiA钢的（Ⅰ＋Ⅱ）复合型氢致开裂

随着高强钢的广泛应用及使用环境的复杂化,材料在工作环境中的氢脆问题日趋突出,与此有关的工程断裂事故屡见不鲜。工作于氢环境中的构件大多处于连续充氢条件下,并且由于实际构件内部缺陷形式多样、载荷复杂、裂纹方向各异,缺陷常常在复合型受载条件下扩展。但是,自从60年代将断裂力学引入氢致开裂研究以来,迄今主要研究了Ⅰ型受载条件下的开裂问题。对复合型应力腐蚀和氢致开裂只是研究了Ⅲ型及(Ⅰ Ⅱ)复合型开裂,而对(Ⅰ