钢中氢致延迟断裂的形成机理

钢中氢致延迟断裂的形成机理

氢进入金属后，通常会降低金属的性能。氢脆可分为不可逆氢脆和可逆氢脆,前者指氢造成永久性损伤,如白点、气泡、发裂等。后者指排除氢后性能可以恢复的氢脆现象,钢中氢致延迟断裂就属于这一类。金属的氢脆(HE)现象早已为人们所注意。近年来,由于能源工业、化学工业的高速发展,使得吸氢环境大大增多。金属因氢脆而造成的破坏日益严重,钢中的氢在国内外都是十分活跃的研究课题,所以对钢中氢的偏聚和裂纹的扩展的研究对了解氢脆的机理防止氢脆的发生有着重要意义。1测试方法1.1试验方法的选择1.21.3观察断裂带的外观和裂缝的特征2试验结果及分析2.1试验结果2.1.1氢脆特征曲线合金在恒载荷充氢条件下断面收缩率变化曲线如图1。曲线显示了氢致延迟断裂的特征。2.1.2口上出现塑性流动的痕迹氢脆断口可分为沿晶区、解理区、准解理区和韧窝区。断裂有穿晶断裂,有沿晶断裂,属于混合型断口。在沿晶断口上可辨认出塑性流动的痕迹,表明有一些塑性变形发生。在穿晶断口上可以看到一些较大的平坦面,主要是通过晶体学台阶而分离的较小平面所组成,断口上有典型的舌状花样,从晶界产生一些平行的小平面通过台阶分离,在舌状花样的尾部切成台阶;在平行的小平面之间可看到析纹,平行小平面之间组成晶体学的锯齿状剖面。见图2。2.1.3承载物的端宽度、边缘、未干产品裂纹深、宽比相当大,前端尖细,深入到基体内部,后端宽度较大,边缘较为圆滑。裂纹沿晶向内扩展,尽管裂纹有分枝,但主裂纹的走向与拉应力相垂直。并且存在有与主裂纹面大致垂直的近于等间隔的二次裂纹。见图32.2氢偏聚扩展特性2.2.1恒载荷充氢条件下断面收缩率变化曲线显示了氢致延迟断裂的特性。氢脆的发生有一下临界应为σth。当应力低于σth后,断裂不再发生。2.2.2氢脆断口有沿晶、解理、准解理和韧窝断裂等类型,充氢后试样表面和内部的氢浓度存在梯度,试样表面层氢含量高,材料变脆,造成沿晶断裂,随着氢含量的减少,断裂方式由沿晶→解理→准解理→韧窝断裂。2.2.3溶解在钢中的氢(平均浓度为C0)在应力梯度的作用下向裂纹前沿的三相应力区偏聚,当偏聚浓度达到临界值Ccr时,在应力与氢的联合作用下发生开裂。裂纹的扩展是阶梯式的,如图4,停顿时间为氢偏聚所消耗的时间,当偏聚浓度达到Ccr时发生扩展,然后再次停顿,再次扩展,这种亚稳态扩展直至裂纹长度达到失稳状态(K1达到K1c时)的临界长度ac时裂纹失稳扩展,快速断裂。氢在应力作用下的偏聚方程为:Ce=Coexp(−σHV¯¯¯HRT)Ce=Coexp(-σΗV¯ΗRΤ)式中Ce—偏聚浓度;C0—平均浓度;σh—静水压力;VH—氢的偏克分子体积,对α-Fe为2cm3/M;R—气体常数;T—绝对温度。当达到开裂临界情况时,K1取为K1H,则Ce达到Ccr,有K1H=A-BlnCo式中A、B为与断裂方式(韧窝断裂、准解理断裂、沿晶断裂)及与断裂方式相适应的有关的常数。2.2.4裂纹扩展的机制是在裂纹尖端的前方有二次裂纹起裂,且二次裂纹与主裂纹发生相互作用。二次裂纹起裂的机制是在晶界氢原子形成二维片状积聚。当氢原子聚集片(cluster)的尺寸相对于局部拉伸达到临界时,裂纹成核。但只在聚集片的Fe-H-Fe键被破坏时在晶界的氢原子聚集片才能成为裂纹,这就要求局部应力一定要超过破坏Fe-H-Fe键所需要的门槛值,这与下临界应力σth的存在是相对应的。2.2.5生产中为防止氢脆的发生可控制氢的含量并减小或消除拉应力。对于内氢在冶炼时采用真空处理或真空冶炼,焊接时采用低氢焊条,酸洗和电镀时选用缓蚀剂以降低氢含量,对合金结构钢锻件的冷却要缓慢,防止氢致开裂的“白点”,合金结构钢焊接时采用焊前预热、焊后烘烤以利于排氢。对于外氢则尽量避开包含有氢气的气体、能分解而生成氢原子或分子的水溶液和碳氢化合物等。应从结构设计、制造加工方面考虑,减少拉应力加上消除应力的热处理或采用喷丸处理使表面产生残余压应力,均可有效地降低或抑制氢脆的发生。3应力电解充氢工艺3.1氢脆为延迟断裂。氢脆的发生有一下临界应力σth。当应力低于σth后,不再发生断裂。3.2氢脆断口为混合型断口,断裂类型分沿晶、解理、准解理和韧窝断裂,随着氢含量的减少,断裂方式由沿晶→解理→准解理→韧窝断裂。3.3溶解在钢中的氢(平均浓度为C0)在应力梯度的作用下向裂纹前沿的三相应力区偏聚,当偏聚浓度达到临界值Ccr时,在应力与氢的联合作用下发生开裂。3.4裂纹扩展的机制是在裂纹尖端的前方有二次裂纹起裂,出现由氢的析出压力促使基体变形滑移造成的滑移台阶。3.5生产中为防止氢脆的发生可控制氢的含量并减小或消除拉应力。为了了解氢对合金脆断的影响,用恒载荷法控制应力电解充氢进行模拟试验。充氢电流密度5mA/cm2,采用5%H2SO4(v/v)+200mg/L的As2SO4溶液作为电解液,