山东省龙川钢管制造有限公司
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氢致20cr无缝管延迟断裂行为分析
随着工程机械、汽车等行业的快速发展,为降低成本、增“强”减重,以实现20cr无缝管节能降耗的目标,国内外广泛探索工程机械及汽车的轻量化方法。要最大限度地减轻设备质量,一个有效的途径就是提高20cr无缝管的强度级别。近年来,工程机械用钢从500~600MPa级快速上升至800MPa、1000MPa,甚至1500MPa。然而,随着强度提高,20cr无缝管的延迟断裂敏感性也随之增大,氢致延迟断裂敏感性高已经成为制约高强度级别钢种推广应用的一个重要因素。
20cr无缝管的氢致延迟断裂现象
延迟断裂是材料在静止应力的作用下,经过一定时间后突然发生脆性破坏的一种现象,它是材料—环境—应力之间相互作用的结果,是氢致材质恶化的一种形态。延迟断裂现象的产生是由于材料内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,这些应力集中的部位往往缺陷较多(原子点阵错位、空穴等),氢扩散到这些缺陷处,氢离子合成氢原子,氢原子进一步合成氢分子,将产生巨大的压力。这个压力与材料内部的残余应力以及材料服役状态下所承受的外加应力,形成一个合力,当这个合力超过20cr无缝管的屈服强度时,就会导致断裂的发生。
由于20cr无缝管延迟断裂常常在材料所承受的外加应力水平显著低于其屈服强度时突然发生,具有其不可预知性,因此,往往导致较为严重的破坏和后果。随着20cr无缝管的发展及其应用领域的不断拓展,延迟断裂现象受到更大程度的关注。以汽车零部件为例,其产品形状复杂,变形量大,车厂、零部件制造商及材料供应商对延迟断裂性能更加重视,已经成为材料性能认证项目之一。
关于20cr无缝管氢致延迟断裂的机理,近年来已经进行了广泛的研究,但问题还远远没有解决。已经提出的经典理论主要有:氢压理论、氢降低表面能理论、氢降低原子键合力理论,以及氢促进局部塑性变形理论等。
氢压理论、氢降低20cr无缝管表面能理论和氢降低原子键合力(即弱键)理论均认为,氢致裂纹的产生和扩展是原子面在正应力作用下的整体解理过程,即氢致脆性的过程。与此相反,氢致局部塑性变形理论则认为任何断裂过程都是局部塑性变形的结果。该理论认为,在存在应力梯度的条件下,如裂纹尖端附近,由于应力诱导扩散,原子氢能富集在裂纹尖端局部区域。当有效氢浓度达到临界值时,可以使局部区域的表观屈服应力明显下降,于是在较低的应力作用下就能产生氢致滞后塑性并导致滞后断裂,而且局部区域表观屈服应力的下降量明显依赖于钢的强度和初始氢含量。
总体来讲,上述4种经典理论都有其局限性,将氢促进局部塑性变形理论和弱键理论、氢压理论联合起来,是今后研究的一个方向,有可能发展新的氢致开裂理论以解释氢致韧断和氢致韧脆转变机理。
延迟断裂性能实验室评价方法
20cr无缝管的延迟断裂性能受到许多因素影响,但目前尚未形成通用的评价标准,在实验室评价材料的延迟断裂性能往往采用加速型方法来进行相对评价。目前,常见的延迟断裂试验方法有如下几种:
恒载荷延迟断裂试验。这种试验通常采用光滑或带缺口的圆棒或平板试样在恒载荷下拉伸,或者采用带缺口的悬臂弯曲试样、四点弯曲试样等。对于此类实验,一般用临界应力、断裂时间或者临界氢浓度来评价材料的延迟断裂敏感性。
恒应变延迟断裂试验。恒应变延迟断裂试验是使试样处于恒定应变的受力状态下,其主要特点是简单、经济、试样紧凑,不需要特殊的装置,仅利用夹具或螺栓紧固即可获得应力。试样的实际应力随工作截面的减少而降低。一般通过测定延迟断裂试样占总试样数目的百分比或试样断裂的时间,来比较材料延迟断裂的敏感性。
慢应变速率拉伸试验。目前,国内外已广泛采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)方法,以促进试样在很短的时间内发生延迟断裂并能敏感地反映材料的延迟断裂性能。通常用塑性(断面收缩率、伸长率)损失、最大断裂应力、断裂时间和吸收能量等指标评价给定材料-介质体系对延迟断裂的敏感性。
断裂力学试验。这类方法采用预制裂纹试样,其优点主要是:缩短了裂纹产生的时间;真实反映了实际构件中难免存在宏观缺陷的情况;可直接使用线弹性断裂力学公式;评价判据KISCC或KIH不随试样而变,可以应用于设计。但是这种方法只是评价氢致裂纹的扩展,对于裂纹的产生不能提供任何信息。
冲杯试验。作为一种标准化的氢致开裂评价方法,冲杯试验在欧洲应用得较为广泛。相比于U弯试验,冲杯试验中发生氢致开裂的临界应变与临界氢含量更高,也即冲杯试验中20cr无缝管在更高的应变和可扩散氢含量条件下才会发生氢致开裂。