高强度钢耐延迟断裂性能的评价方法

评述
高强度钢耐延迟断裂性能的评价方法
惠卫军,董 瀚
(钢铁研究总院结构材料研究所,北京100081)
翁宇庆
(中国金属学会,北京100711)
摘 要:鉴于目前还没有统一的延迟断裂实验方法,对不同研究者提出的各种延迟断裂实验方法进行了分析比较,重点介绍最近提出的耐延迟断裂性能的定量化评价方法。

关键词:评价方法;延迟断裂;高强度钢;氢脆;应力腐蚀
中图分类号:T G142.41 文献标识码:A 文章编号:1001-4012(2001)06-0231-05
EVALUAT ION M ETHODS FOR DELAYED FRACTURE SUSCEPTIBILITY
OF HIGH STRENGTH STEELS
HUI W e-i jun,DONG Han
(Central I ron&Steel Resear ch Institute,Beijing100081,China)
WENG Yu-qing
(Chinese Society for M etals,Beijing100711,China)
Abstract:As the testing method for delayed fractur e susceptibility has not been standardized y et,v ar ies testing methods pr esented are reviewed.Emphasis is given to the quant itat ive evaluation met hods pr esented by Japanese re-searchers r ecently.
Keywords:Evaluation method of delayed fracture susceptibility;Delayed fracture;High str ength steel;Hydrogen embr ittlement;Stress corrosion
1 延迟断裂的概念
延迟断裂是在静止应力作用下,材料经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象。

这种现象是材料-环境-应力相互作用而发生的一种环境脆化,是氢致材质恶化的一种形态[1]。

延迟断裂是妨碍机械制造用钢高强度化的一个主要因素,高强度螺栓钢的延迟断裂便是一个十分典型的事例。

如20世纪80年代初期,美国通用汽车公司由于安装在轿车底部控制架上的两个12.9级螺栓发生了延迟断裂,前后发生了27次交通事故,最终在640万辆轿车上更换了这两种螺栓[2]。

延迟断裂大体上可分为以下两类:
收稿日期:2001-02-19
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(973) 新一代钢铁材料的重大基础研究 资助项目(G1998061503)
(1)主要是由外部环境侵入的氢(外氢)引起的延迟断裂。

如桥梁等使用的螺栓,在潮湿空气、雨水等环境中长期暴露而发生延迟断裂。

(2)酸洗、电镀等制造过程中侵入钢中的氢(内氢)引起的延迟断裂。

如电镀螺栓等在加载后,经几小时或几天的较短时间后而发生延迟断裂。

对于前者,一般是由于在长期暴露过程中发生腐蚀,由腐蚀反应生成的氢侵入钢中而引起的;后者是由于制造过程如酸洗、电镀处理时侵入钢中的氢在应力的作用下向应力源集中而引起的。

2 延迟断裂实验方法的分类
高强度钢的延迟断裂受许多因素的影响,目前尚无通用的评价标准。

延迟断裂的试验方法有使用试样的,也有使用实物零件的。

理想的情况是使用实物零件在实际使用环境中进行试验,但试验周期往往很长,有时甚至需要10年以上的时间。

因此,
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第37卷第6期2001年6月
理化检验-物理分册
PTCA(PA RT A:PHY SICAL T EST ING)
V ol.37 No.6
Jun.2001
在实验室评价材料的耐延迟断裂性能往往采用加速型实验来进行相对评价。

这里搞清楚加速试验和实际环境的关系是极其重要的问题。

由于实用目的不同,不同的研究者提出了各种各样的加速型试验方法,这些方法大体上可分为以下几类[3]:
(1)恒载荷和恒应变(拉伸、弯曲)试验,得到延迟断裂临界应力(门槛值或一定时间下的断裂应力)或断裂时间;
(2)低应变速率(拉伸)试验(SSRT ),得到断裂应力和塑性参量;
(3)断裂力学试验,用预制疲劳裂纹的试样得到临界应力场强度因子K th 或K ISCC 及裂纹扩展速率d a /d t 等断裂力学参量;
(4)发生断裂的临界氢含量等。

从应力加载方式来看,可分为恒应变(恒位移)、恒载荷和慢应变速率试验三种。

受力方式以弯曲应力和拉伸应力为主。

为了加速试验进程,试验所采用的试样为缺口或预制疲劳裂纹,但也有采用光滑试样的[3]。

光滑试样模拟了设计和制作上完美无缺的构件,而缺口或预制裂纹试样,则模拟了存在宏观缺陷的构件。

试验环境则多种多样,有代表性的如室温水、3.5%NaCl 水溶液、饱和水蒸气、温水、0 1N 的H Cl 水溶液、氢气、含饱和H 2S 的0.5%醋酸水溶液、高温潮湿气氛、Walpole 缓蚀液等(外界含氢条件)。

也有在加载前预充氢后电镀(防止氢逃逸),然后再加热或在室温放置一定时间使氢均匀分布(内部含氢条件)。

3 加速型延迟断裂实验
图1是各种有代表性的延迟断裂试验方法的示意图[1,3,4]。

3.1 传统的延迟断裂试验方法3.1.1 恒载荷延迟断裂实验
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
(a)
恒载荷拉伸延迟断裂实验
(b)恒载荷弯曲延迟 (c)恒应变拉伸延迟断裂
断裂实验 实验(螺栓型
)
(d)改进的WO L 型试样
P 载荷 V 0 张开位移 a 裂纹长度B 试样厚度 W 试样长度 H 试样宽度
图1 典型的延迟断裂试验示意图
试样、四点弯曲试样。

恒载荷试样是在裂纹产生之前就固定应力的。

因此,当光滑试样裂纹产生时,试样有效截面积减少,应力随之增大。

可见裂纹产生后就不能获知准确的应力值,这是这类试样的缺点。

对于这类实验,采用光滑或缺口试样可得到类似疲劳曲线的应力-断裂时间( -t F )曲线。

一般用临界应力 C 或断裂时间t C 来评价材料的延迟断裂敏感性。

3.1.2 恒应变延迟断裂试验
恒应变延迟断裂试验的主要特点是简单、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数占总试样数的百分比或试样断裂时间,以比较材料延迟断裂的敏感性。

3.2 慢应变速率试验
恒载荷和恒应变等延迟断裂试验方法在测定材料延迟断裂敏感性时常常耗时太长,而且通常都人为规定一个限定的时间。

因此,采用恒应变和恒载
荷试验方法往往得不到确切的试验结果,而且试验结果的分散度较大。

目前国内外已广泛采用慢应变
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速率试验(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[5]。

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定给定材料-介质体系对延迟断裂的敏感性。

SSRT试验具有以下优点: 试验速度快; 可以在短时间内得到延迟断裂的确实结果; 可以在实际介质中试验; 试验包括了延迟断裂全过程。

延迟断裂包括孕育期、裂纹扩展和断裂三个过程,恒应变和恒载荷试验为了加速试验而采用缺口试样却躲过了孕育期,而孕育期往往是决定延迟断裂寿命的主要阶段。

但是SSRT试验条件与实际条件仍然是有差别的,因为这种快速试验方法总是比实际条件更苛刻些,故应和其它试验数据相比较,才能得出更为客观的结论。

3.3 断裂力学试验
这类方法采用预制裂纹试样,其主要优点是: 缩短了裂纹产生的时间; 真实反映了实际构件难免存在宏观缺陷的情况; 可直接应用线弹性断裂力学公式; 评价判据K ISCC或K IH不随试样而变,可以应用于设计。

但是这种方法只是评价裂纹的扩展,对于裂纹的产生不能提供任何资料。

包含裂纹发生和扩展过程的定量试验,仍是今后要努力探讨的问题。

原则上讲,用以测量断裂韧性的各种试样均可用来测量K ISCC或K IH。

通常采用的延迟断裂试样可分为恒载荷和恒位移试样。

早期多采用单边裂纹平板悬臂梁弯曲恒载荷试样测定K ISCC或K IH。

与测定临界应力 C类似,需采用一组试样获得应力强度因子-断裂时间(K Ii-t F)曲线,试验周期较长,费用较高。

因此,近来多采用恒位移试样,如改进的WOL型试样和DCB型试样。

其主要优点在于: 用螺钉自行加载,不需用试验机,可以大批量测试,特别是可以把试样放在实际使用环境中进行试验; 用一个试样就可测出K ISCC或K IH,同时可测出d a/d t。

其主要缺点是裂纹容易分叉。

无论采用何种加速延迟断裂试验方法,均应力求能够正确地反映材料的相对延迟断裂敏感性,否则有可能得出不一致甚至互相矛盾的结论。

如山崎等[6]以0.4C-0.5M n-1.2Cr-0.6M o钢为基础,研究钒对临界扩散性氢量H C和氢渗透特性的影响。

结果表明,添加钒使钢的H C增加了近10倍,耐延迟断裂性能显著提高。

然而,最近漆原等[7]用SSRT 实验法对添加不同钒量的SCM440钢的研究结果表明,添加钒使钢中的扩散性氢量(室温至350 放出的氢量)显著增加,延迟断裂敏感性[用100 (1 -E1/E0)表征]相应增加。

又如横田等[8]的研究结果表明,尽管B钢的K ISCC值很高,然而由于其通过腐蚀电池作用而吸收的扩散性氢量显著提高,其耐延迟断裂性能(实物螺栓加载后在食盐水中浸泡24h,再置于大气中24h,来回反复,历时5个月,以螺栓有无断裂来评价)反而不如K ISCC值较低、但腐蚀电池作用较小的C钢,见图2。

图2 实物螺栓的延迟断裂试验结果与
抗拉强度和K ISCC的关系[8]
A钢:0.40C-0.68Cr-0.22M o-0.58N-i0.04T i
B钢:0.001C-10.3Cr-0.99M o-10.1N-i1.51T i
C钢:0.30C-9.0N-i0.04T i
SCM435:0.37C-1.11Cr-0.17M o
如上所述,多年来由于没有统一的评价耐延迟断裂性能的实验方法,各个公司和研究机构均采用各自的方法进行实验,实验数据的互比性很差甚至互相矛盾。

为此,各机构曾试图提出统一标准化的试验方法,如1978年FIP提出了评价PC钢线耐延迟断裂性能的FIP试验法(恒载荷拉伸试验)、日本JIS的 高强度螺栓钢的延迟断裂试验法 (缺口平板试样在腐蚀液中恒载荷弯曲)等[3]。

上述评价方法用pH值表征钢材的使用环境,在一定的pH值下进行实验。

因而,上述试验方法的可靠性值得怀疑,即钢材的氢侵入特性受环境的影响很大,在实际环境与实验环境中不同钢种的氢侵入难易程度有可能完全不同,而且难以预测实际环境下发生延迟断裂的可能性。

此外,在腐蚀液中试样尺寸的减小、缺口
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部位形状的变化、腐蚀反应及腐蚀液浓度的变化等因素均会对试验结果产生影响。

4 耐延迟断裂性能新的评价方法
前已指出,高强度钢的延迟断裂是由钢中的氢引起的,延迟断裂除了依存于材料因素外,还依存于环境因素(渗氢条件)和应力因素。

目前没有统一实验方法(定量化方法)的主要原因是由于钢中许可的临界氢量和环境氢量的定量化还没有能够统一。

因此,探索像屈服强度或抗拉强度那样是材料本身固有特性的评价指标就成了近期研究工作的热点之一[9,10]。

4.1 改进的恒载荷延迟断裂试验
通过模拟发生延迟断裂的实际环境,可对渗入的氢量定量化。

在这种定量的渗氢条件下,与实际使用效果良好的现有钢(低强度钢)相比较,新开发钢(高强度钢)如果具有同等或同等以上发生延迟断裂的临界应力,就可以认为它具有优良的耐延迟断裂性能。

更进一步的方法是改变渗氢条件,求出各钢种的临界应力变化,就可以得到应力与环境(渗氢条件)的临界组合,从而可以明确应力与环境变化的许可范围[9]。

在高强度高应力状态下,延迟断裂发生的临界氢渗透系数变小,就容易发生延迟断裂。

为了模拟实际环境,节田等[14]在pH值为3.5的Walpole水溶液中进行氢渗透试验,求得氢渗透系数。

这是由于闭塞电池的作用,在低合金钢的裂纹尖端pH值约为3.5,故设定此值为实际环境的最苛刻条件。

最苛刻的条件即为环境氢渗透系数的最大值,因而可通过阴极充氢再现该氢渗透系数值,进行模拟螺栓螺纹底部形状的动态充氢缺口拉伸恒载荷实验,据此对开发的新钢种进行评价。

4.2 临界氢含量法
对某一材料,能否发生延迟断裂取决于应力状态和钢中的氢量。

因而在力学条件一定的情况下,裂纹的萌生条件是氢量的函数。

当钢中的氢浓度H0超过裂纹萌生临界氢浓度H C时,便发生延迟断裂。

图3是节田等[15]提出的延迟断裂评价图。

如能获得钢的应力-氢量关系和实际环境下钢中的氢浓度H0及部件的受力情况,就可以判断能否发生延迟断裂。

然而钢中的氢有种种不同的存在状态,并非所有的氢均与延迟断裂过程有关。

室温可扩散性的氢易引起延迟断裂,而室温非扩散性氢则与延迟断裂无关[12]。

延迟断裂时间随钢中扩散性氢量的降低而延长,当氢量低于某一值时便不会发生延迟断裂,称此氢量为发生延迟断裂的临界扩散性氢量[13]。

图4和图5是高桥等[17]提出的实际环境中中的氢量与延迟断裂过程的想像示意图。

即实际构件的延迟断裂过程是在三向应力集中处,
当侵入的氢
图3 延迟断裂评价图[
12]
图4 扩散性氢量与延迟断裂时间的关系[
13]
图5 实际环境中构件中的氢量与延迟断裂过程的假想图[13]
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量积聚到超过裂纹萌生所需的氢量(H C)时便萌生裂纹,这段时间为裂纹萌生的孕育期,此后即使侵入的氢量小于H C,破坏过程仍能继续进行。

铃木等[9]在外界氢条件下进行缺口拉伸延迟断裂试验,并把用热分析而求得的扩散性氢量作为临界扩散性氢量H C。

结果表明,570K附近回火时延迟断裂的敏感性最大,此时对应的临界扩散性氢量最小,而且改良钢较原有钢有更高的临界扩散性氢量,因而可用临界扩散性氢量H C作为钢种选择的相对评价参数。

由于难以测定裂纹萌生时实际裂纹尖端局部区域的氢量,所以这里假定此氢量H C 与试验开始时试样内的全部扩散性氢量H T成正比。

在上述工作的基础上,山崎等[10]通过研究含铬、钼和钒的高强度螺栓钢的耐延迟断裂性能,提出了评价实际环境下螺栓钢延迟断裂性能的另一种更为合理的新参量 (H C-H E)/Hc。

这里Hc为试样内氢浓度分布均匀时,通过恒载荷延迟断裂实验求得的临界扩散性氢量,H E为在5%NaCl水溶液的模拟环境条件下循环腐蚀实验而求得的环境吸收的氢量。

他们通过与实物螺栓暴露试验结果的对比分析,发现仅仅用Hc难以完全正确地评价钢的延迟断裂性能,而需要把H C与由于电化学腐蚀而从环境中渗入的氢量H E综合起来进行评价。

4.3 Weibull应力法
鉴于上述评价指标H C与试样形状和应力条件有关,而研究结果表明,试样缺口底部附近的应力分布对延迟断裂的敏感性有很大的影响。

由于用试样的最大应力 max作为评价指标时,H C与应力集中系数K t有关,而用Weibull应力 w作为应力场的评价指标时H C与K t无关。

因此,高木等[14]最近提出用Weibull应力作为延迟断裂敏感性的评价指标。

5 结语
近年来,随着需求的增长,国外特别是日本等国对耐延迟断裂的高强度螺栓钢进行了广泛的研究开发,先后开发出了一系列耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢,如住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列等。

最近日本、韩国和我国分别投入巨资重点实施的 超级钢计划 高性能结构钢计划 新一代钢铁材料的重大基础研究 中,1500M Pa级的高强度螺栓钢的研究开发便是其中的一个重要课题[2]。

为了促进耐延迟断裂高强度钢的研究开发和实用化,不仅要对不同钢种间发生延迟断裂的难易程度进行相对评价,更要对钢材在实际环境下能否发生延迟断裂在实验室进行绝对评价,并使之标准化。

国外特别是日本对此十分重视,并于2000年4月专门成立了 延迟断裂研究会 ,对此进行系统深入的研究。

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