氫如何致高強(qiáng)鋼延遲斷裂？
氫如何致高強(qiáng)鋼延遲斷裂？
隨著工程機(jī)械、汽車等行業(yè)的快速發(fā)展，為降低成本、增“強(qiáng)”減重，以實(shí)
現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外廣泛探索工程機(jī)械及汽車的輕量化方法。要*大限度
地減輕設(shè)備質(zhì)量，一個(gè)有效的途徑就是提高鋼的強(qiáng)度級(jí)別。近年來(lái)，工程機(jī)械用
鋼從 500~600MPa 級(jí)快速上升至 800MPa、1000MPa，甚至 1500MPa。然而，隨著強(qiáng)度提高，鋼的延遲斷裂敏感性也隨之增大，氫致延遲斷裂敏感性高已經(jīng)成為制約
高強(qiáng)度級(jí)別鋼種推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素。
高強(qiáng)鋼的氫致延遲斷裂現(xiàn)象
延遲斷裂是材料在靜止應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后突然發(fā)生脆性破壞的
一種現(xiàn)象，它是材料—環(huán)境—應(yīng)力之間相互作用的結(jié)果，是氫致材質(zhì)惡化的一種
形態(tài)。延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于材料內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中的部位擴(kuò)散聚集，這
些應(yīng)力集中的部位往往缺陷較多（原子點(diǎn)陣錯(cuò)位、空穴等），氫擴(kuò)散到這些缺陷
處，氫離子合成氫原子，氫原子進(jìn)一步合成氫分子，將產(chǎn)生巨大的壓力。這個(gè)壓
力與材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力以及材料服役狀態(tài)下所承受的外加應(yīng)力，形成一個(gè)合力，
當(dāng)這個(gè)合力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。
由于延遲斷裂常常在材料所承受的外加應(yīng)力水平顯著低于其屈服強(qiáng)度時(shí)突
然發(fā)生，具有其不可預(yù)知性，因此，往往導(dǎo)致較為嚴(yán)重的破壞和后果。隨著超高
強(qiáng)度級(jí)別鋼的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，延遲斷裂現(xiàn)象受到更大程度的關(guān)注。
以汽車零部件為例，其產(chǎn)品形狀復(fù)雜，變形量大，車廠、零部件制造商及材料供
應(yīng)商對(duì)延遲斷裂性能更加重視，已經(jīng)成為材料性能認(rèn)證項(xiàng)目之一。
延遲斷裂行為的影響因素
金屬材料的延遲斷裂行為是在材料、環(huán)境和應(yīng)力三者共同作用下發(fā)生的，與
材料的特性以及受力狀態(tài)、服役環(huán)境密切相關(guān)。
材料強(qiáng)度的影響。一般來(lái)講材料的強(qiáng)度越高，其延遲斷裂敏感性越大。一般
認(rèn)為 1000MPa 是一個(gè)危險(xiǎn)的水平，即抗拉強(qiáng)度低于 1000MPa 時(shí)鋼材耐延遲開裂的
性能相對(duì)較好，而當(dāng)材料強(qiáng)度大于 1000MPa 時(shí)，其延遲斷裂敏感性較高。
合金成分的影響。不同的合金元素會(huì)對(duì)材料的延遲斷裂行為產(chǎn)生不同的影響。
研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼中（Mn+0.5Si+S+P）含量的升高，4340 系列鋼材發(fā)生氫致延遲
斷裂的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子隨之下降，說(shuō)明其斷裂敏感性逐漸升高。這是由于鋼中
C、S、P、Si、Mn 等元素的偏析會(huì)促進(jìn)腐蝕環(huán)境下氫的吸收，從而增大材料的氫
致延遲斷裂敏感性，使得材料在較低的應(yīng)力水平下即發(fā)生斷裂。而 Ti、V、Mo、
Ni、Nb 等元素可細(xì)化晶粒，提高材料的韌性，減少偏析，而且所形成的細(xì)小析出
物有利于形成氫的捕獲陷阱，從而降低材料的延遲斷裂敏感性。此外，也有研究
指出，Al 元素的添加可以顯著改善含錳 TWIP 鋼的氫致開裂敏感性。
微觀組織的影響。由于氫在不同組織中的擴(kuò)散速度和儲(chǔ)存能力不同，因此，
材料的微觀組織對(duì)延遲斷裂敏感性的影響很大。從金相組織上講，相比于奧氏體
和全珠光體組織，鐵素體—馬氏體和單一馬氏體組織鋼材具有更高的氫致延遲斷
裂敏感性。此外，相同的應(yīng)力水平下，加工誘發(fā)馬氏體的含量越高，延遲斷裂敏
感性越大；在相同的強(qiáng)度水平下，含 Mo 的高溫回火馬氏體組織，比普通回火馬
氏體鋼的極限擴(kuò)散氫含量高，延遲斷裂敏感性降低。同時(shí)，材料微觀組織上的不
均勻性，如晶界、相界等，由于原子錯(cuò)排和局部應(yīng)力場(chǎng)的存在，會(huì)成為氫的捕獲
陷阱或氫快速傳輸?shù)耐ǖ?，從而影響材料的氫致延遲開裂行為。此外，降低晶粒
尺寸，晶界處吸附的氫含量減少，也有利于改善材料沿晶界開裂的敏感性。
加工缺陷的影響。高強(qiáng)鋼的加工會(huì)經(jīng)歷彎曲、拉拔、冷軋等工藝，不同的加
工方式會(huì)在材料上留下微孔、微裂紋和位錯(cuò)等缺陷，這些缺陷位置會(huì)成為氫的捕
獲陷阱或者提供氫原子快速傳輸?shù)耐ǖ?，在外力作用下還會(huì)在缺陷位置形成應(yīng)力
集中，它們會(huì)對(duì)材料的氫致延遲開裂行為產(chǎn)生較大的影響。
受力狀態(tài)的影響。一方面，金屬構(gòu)件在服役過(guò)程中會(huì)受到各種外力的作用；
另一方面，材料本身也會(huì)因?yàn)椴煌募庸こ尚瓦^(guò)程而產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)變狀態(tài)。
高強(qiáng)鋼的主要成型工藝有折彎、擴(kuò)孔和翻邊、淺拉伸等，這些加工殘余應(yīng)變的存
在會(huì)促進(jìn)延遲斷裂的發(fā)生。*新研究認(rèn)為，加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)變是外加應(yīng)
力和材料中的可擴(kuò)散氫含量之外的第三大導(dǎo)致高強(qiáng)鋼延遲斷裂失效行為發(fā)生的
重要因素，氫致延遲斷裂行為發(fā)生的敏感區(qū)處于高外加應(yīng)力、高應(yīng)變和高濃度擴(kuò)
散氫含量的重合區(qū)。
環(huán)境的影響。環(huán)境主要是會(huì)影響氫向金屬材料內(nèi)部的滲透。金屬在各種致氫
環(huán)境中，如氫氣、H2S 氣體和水溶液、水介質(zhì)、丙酮等有機(jī)溶液中，氫致延遲斷
裂敏感性會(huì)大大增加。根據(jù)環(huán)境中氫來(lái)源的不同，高強(qiáng)鋼的氫致延遲斷裂行為主
要分為以下兩類：一類是服役環(huán)境滲入的氫（外氫）引起的延遲斷裂，如橋梁用
高強(qiáng)鋼，在潮濕大氣、雨水等環(huán)境中長(zhǎng)期暴露發(fā)生腐蝕，由腐蝕反應(yīng)生成的氫侵
入鋼中而發(fā)生延遲斷裂。另一類是酸洗、電鍍、焊接等制造過(guò)程中侵入鋼中的氫
（內(nèi)氫）引起延遲斷裂。以焊接為例，它是一個(gè)局部冶煉過(guò)程，局部高溫可使焊
條及藥皮中所含的水分分解成氫原子進(jìn)入金屬。這些過(guò)程引入的氫含量較高，因
此，鋼材常常在施加應(yīng)力后的幾小時(shí)或幾天內(nèi)即發(fā)生延遲斷裂失效。
氫致延遲斷裂機(jī)理
關(guān)于氫致延遲斷裂的機(jī)理，近年來(lái)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，但問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒
有解決。已經(jīng)提出的經(jīng)典理論主要有：氫壓理論、氫降低表面能理論、氫降低原
子鍵合力理論，以及氫促進(jìn)局部塑性變形理論等。
氫壓理論、氫降低表面能理論和氫降低原子鍵合力（即弱鍵）理論均認(rèn)為，
氫致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展是原子面在正應(yīng)力作用下的整體解理過(guò)程，即氫致脆性的
過(guò)程。與此相反，氫致局部塑性變形理論則認(rèn)為任何斷裂過(guò)程都是局部塑性變形
的結(jié)果。該理論認(rèn)為，在存在應(yīng)力梯度的條件下，如裂紋尖端附近，由于應(yīng)力誘
導(dǎo)擴(kuò)散，原子氫能富集在裂紋尖端局部區(qū)域。當(dāng)有效氫濃度達(dá)到臨界值時(shí)，可以
使局部區(qū)域的表觀屈服應(yīng)力明顯下降，于是在較低的應(yīng)力作用下就能產(chǎn)生氫致滯
后塑性并導(dǎo)致滯后斷裂，而且局部區(qū)域表觀屈服應(yīng)力的下降量明顯依賴于鋼的強(qiáng)
度和初始?xì)浜俊?
總體來(lái)講，上述 4 種經(jīng)典理論都有其局限性，將氫促進(jìn)局部塑性變形理論和
弱鍵理論、氫壓理論聯(lián)合起來(lái)，是今后研究的一個(gè)方向，有可能發(fā)展新的氫致開
裂理論以解釋氫致韌斷和氫致韌脆轉(zhuǎn)變機(jī)理。
延遲斷裂性能實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法
材料的延遲斷裂性能受到許多因素影響，但目前尚未形成通用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，
在實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)材料的延遲斷裂性能往往采用加速型方法來(lái)進(jìn)行相對(duì)評(píng)價(jià)。目前，
常見的延遲斷裂試驗(yàn)方法有如下幾種：
恒載荷延遲斷裂試驗(yàn)。這種試驗(yàn)通常采用光滑或帶缺口的圓棒或平板試樣在
恒載荷下拉伸，或者采用帶缺口的懸臂彎曲試樣、四點(diǎn)彎曲試樣等。對(duì)于此類實(shí)
驗(yàn)，一般用臨界應(yīng)力、斷裂時(shí)間或者臨界氫濃度來(lái)評(píng)價(jià)材料的延遲斷裂敏感性。
恒應(yīng)變延遲斷裂試驗(yàn)。恒應(yīng)變延遲斷裂試驗(yàn)是使試樣處于恒定應(yīng)變的受力狀
態(tài)下，其主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、試樣緊湊，不需要特殊的裝置，僅利用夾具或
螺栓緊固即可獲得應(yīng)力。試樣的實(shí)際應(yīng)力隨工作截面的減少而降低。一般通過(guò)測(cè)
定延遲斷裂試樣占總試樣數(shù)目的百分比或試樣斷裂的時(shí)間，來(lái)比較材料延遲斷裂
的敏感性。
慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)外已廣泛采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）
方法，以促進(jìn)試樣在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生延遲斷裂并能敏感地反映材料的延遲斷裂
性能。通常用塑性（斷面收縮率、伸長(zhǎng)率）損失、*大斷裂應(yīng)力、斷裂時(shí)間和吸
收能量等指標(biāo)評(píng)價(jià)給定材料-介質(zhì)體系對(duì)延遲斷裂的敏感性。
斷裂力學(xué)試驗(yàn)。這類方法采用預(yù)制裂紋試樣，其優(yōu)點(diǎn)主要是：縮短了裂紋產(chǎn)
生的時(shí)間；真實(shí)反映了實(shí)際構(gòu)件中難免存在宏觀缺陷的情況；可直接使用線彈性
斷裂力學(xué)公式；評(píng)價(jià)判據(jù) KISCC 或 KIH 不隨試樣而變，可以應(yīng)用于設(shè)計(jì)。但是這
種方法只是評(píng)價(jià)氫致裂紋的擴(kuò)展，對(duì)于裂紋的產(chǎn)生不能提供任何信息。
沖杯試驗(yàn)。作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的氫致開裂評(píng)價(jià)方法，沖杯試驗(yàn)在歐洲應(yīng)用得較
為廣泛。相比于 U 彎試驗(yàn)，沖杯試驗(yàn)中發(fā)生氫致開裂的臨界應(yīng)變與臨界氫含量更
高，也即沖杯試驗(yàn)中材料在更高的應(yīng)變和可擴(kuò)散氫含量條件下才會(huì)發(fā)生氫致開裂。
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