40crmoi钢氢致附加拉应力的研究

40crmoi钢氢致附加拉应力的研究

大量实验表明，金属中的固溶氢能促进位错的传播、增厚和运动，促进局部塑性变形。根据一系列透射电镜（tem）下的震源观察，在恒位移加载后，引入低压氢，可以加速位错的生长和运动。当氢被泵送时，位错的培养会减少或停止。添加相同压力不能促进位错的培养和运动。利用恒位移样品，可以研究气和电氢充层前后位错组态的变化。结果表明，氢可以促进位错的传播、位移和运动。对于大型样品，可以使用网络法、激光散斑法和云纹干扰法测量充层前后位尖附近变形区的变形变化。结果表明，氢使断裂区的变形区增大，并增加了扩散区的应变量。不同的结论是，氢促进了杏仁的转化和局部塑性变形，但在研究氢对屈服反应（或变质强度）的影响时，结论是不一致的，反之亦然。在恒载荷下保持一定时间后位错发射和运动就将停止,如增加外载荷,则位错发射和运动将重新开始.这和恒位移条件下进行动态充氢,氢促进位错发射和运动相一致.这就表明,氢的作用相当于产生一个附加拉应力,它协助外应力促进位错发射和运动.本文将用实验来证明这一论述.1油淬+氢渗析试验as240CrMoTi钢的成分(质量分数,%)为:C0.39,Cr1.08,Mo0.28,Mn0.05,Si0.05,Ti0.08,P0.001,S0.002.加工成1mm×12mm×85mm(均匀部分为35mm)的薄板拉伸试样.在880℃保温20min后油淬,再分别在400,590,620和650℃回火2h.对每一种热处理条件,用圆棒拉伸试样测量其屈服强度σs分别为1410,1200,1050和900MPa.充氢溶液为1mol/LH2SO4+0.25g/LAs2O3,充氢电流i=0.1,0.5,1,5,10和50mA/cm2.用氢渗透方法测出相应的氢浓度.在pH=4的3.5%NaCl溶液中浸泡时也会有氢进入,用排油集气法可测出其氢浓度.试样在空气中慢拉伸(=5.7×10-6s-1)至超过屈服后卸载,重新加载时其屈服应力就等于卸载时的流变应力.但是,如果卸载后长时间(96h)充氢(使氢均匀分布于整个试样),然后在空气中重新慢拉伸(=5.7×10-6s-1),这时其屈服应力就不再等于卸载前的流变应力σf,其差值就定义为氢引起的附加应力.如,则氢引起附加拉应力,反之则为压应力.2氢致附加应力试验对σys=1410MPa的40CrMoTi钢用氢渗透法测出不同充氢电流下的氢浓度C0,结果列于表1.画出曲线后可获得和i=50.0mA/cm2相对应的C0=13.5×10-4%.用排油集气法测出在pH=4的3.5%NaCl水溶液浸泡96h以及不同i下充氢后的氢浓度,结果也列于表1.考虑到的测量误差为0.5×10-4%,表1表明,这两种方法测出的C0和值均在实验误差范围之内.用40CrMoV钢研究了强度级别对的影响,结果表明,(σys=1414MPa),2.47×10-4%(σys=1320MPa),3.02×10-4%(σys=1278MPa).故可认为强度级别对的影响也在实验误差范围内.对于不同强度级别的40CrMoTi钢,同一试样在pH=4的3.5%NaCl水溶液中浸泡(充氢)前后的应力-应变曲线见图1.图中虚线表示空拉超过屈服后在A点卸载,实线表示卸载后在pH=4的3.5%NaCl溶液中浸泡(相当低逸度充氢)96h,干燥后再在空气中拉伸,它在B点屈服.,就是氢致附加拉应力,不同强度试样测出的σad如下:当σys为1410,1200,1050和900MPa时,σad分别为93.0,58.3,50.0和16.7MPa.图2是σys=900MPa的40CrMoTi钢电解充氢前后的应力-应变曲线.试样空拉超过屈服后在A点卸载,然后在低电流密度(i=0.1mA/cm2)下充氢96h,擦干后在空气中拉伸至超过屈服点B后在b点卸载.A,B两点的应力差σad(=σA-σB)就是i=0.1mA/cm2充氢时的氢致附加应力.同一试样在i=1.0mA/cm2下充氢96h,擦干后空拉超过其屈服点C后在c处卸载,A,C两点的应力差就是i=1.0mA/cm2充氢时的氢致附加应力.同一试样接着在i=10.0mA/cm2下充氢96h,空拉超过其屈服点D后在d处卸载.A,D两点的应力差就是i=10.0mA/cm2充氢时的氢致附加应力.用同样的方法可测出i=50.0mA/cm2充氢时的氢致附加应力.其结果已列于表2(表中与i值相对应的C0值取自表1).为了验证用一个试样和多个试样来测量不同i值下充氢引起的氢致附加应力是否有区别,本工作用X80管线钢进行了对比实验,结果见表3.由表3可知,两种方法测出的氢致附加应力基本一致.对于σys=1050MPa(40CrMoTi钢)的试样,同一试样空拉及不同i值下充氢后空拉的应力-应变曲线见图3.由此测出的氢致附加应力σad亦列于表2.对于σys=1200MPa的试样,当i≥5.0mA/cm2后,充氢后空拉时屈服前试样就断裂,故测不出氢致附加应力.i≤1.0mA/cm2所测出的σad也已列于表2.对于σys=1410MPa的试样,即使小电流(i=0.1mA/cm2)充氢后空拉,断裂前亦未发生宏观屈服,故无法获得σad.根据不同强度试样测出的σad值的结果可知,在NaCl水溶液中浸泡充氢后氢致附加拉应力随屈服强度的升高而线性升高,如图4所示.其线性关系为表2的结果表明,对强度σys分别为900和1050MPa的试样,氢致附加拉应力均随试样中氢浓度对数的升高而线性增大,见图5.其线性关系为这是两条几乎平行的直线,其差值完全是由强度引起的.把式(1—3)综合起来可得即氢致附加拉应力随试样的屈服强度以及固溶氢浓度的对数而线性升高.3附加拉应力与氢对位错增殖、运动的影响如果不充氢,则卸载后重新拉伸的屈服应力应当等于卸载前的流变应力σf.这就表明,第一次拉伸至屈服后位错通过增殖和运动,发生加工硬化,从而使位错继续增殖、运动的阻力从σys增至σf.充氢后由于存在一个氢致附加拉应力,它能协助外加应力σ,当两者之和等于位错重新运动的阻力σf时就再次屈服,这时的外应力就等于.由图1-3也可看出,氢使位错增殖和运动的阻力从σf降至.氢降低位错增殖、运动的阻力和氢引起一个附加拉应力从而促进位错增殖、运动所产生的宏观效果是一样的,这就是图1-3的实验结果.图4,5表明,氢致附加拉应力或氢使塑性变形阻力的下降量随氢浓度以及试样强度的升高而增大.氢能够产生附加拉应力或使塑性变形阻力降低,例如,对α-Fe的计算表明,氢在位错周围形成气团,室温时能跟着位错运动,加外力时氢气团变为不对称分布,从而就有一个附加力作用于位错.计算表明,附加拉应力σad=(k-1)σ.其中,σ为外应力;k(>1)随氢浓度C0升高而升高,随温度下降而升高.在这个计算中,无法研究组织结构或强度对σad的影响.Li等人认为,位错一旦被发射就成为氢的陷阱,一部分氢被捕获后其逸度就f*降为f,从而就有一个化学驱动力τ=(nkT/b2)ln(f*/f)作用在位错上(其中n为单位长位错上陷住的氢原子数,b为Burgers矢量),它促进位错发射.这个化学驱动力就是附加拉应力.Birnbanm等认为,氢气团对位错存在一