氢致16mn工字钢延迟断裂行为分析_公司新闻_山东省龙川金属材料有限公司

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氢致16mn工字钢延迟断裂行为分析
作者:山东省龙川金属材料有限公司 来源:http://www.sagemomma.com 时间:2017/5/13 18:26:51

氢致16mn工字钢延迟断裂行为分析

 


  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钢的强度级别。近年来,16mn工字钢从500~600MPa级快速上升至800MPa、1000MPa,甚至1500MPa。然而,随着强度提高,钢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16mn工字钢推广应用的一个重要因素。
  16mn工字钢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。16mn工字钢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,当这个合力超过材料的屈服强度时,就会导致断裂的发生。
  由于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。随着超高强度级别钢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。
  延迟断裂行为的影响因素 
  16mn工字钢的延迟断裂行为是在材料、环境和应力三者共同作用下发生的,与16mn工字钢的特性以及受力状态、服役环境密切相关。
  16mn工字钢强度的影响。一般来讲材料的强度越高,其延迟断裂敏感性越大。一般认为1000MPa是一个危险的水平,即抗拉强度低于1000MPa时钢材耐延迟开裂的性能相对较好,而当材料强度大于1000MPa时,其延迟断裂敏感性较高。
  合金成分的影响。不同的合金元素会对材料的延迟断裂行为产生不同的影响。研究发现,随着钢中(Mn+0.5Si+S+P)含量的升高,4340系列钢材发生氢致延迟断裂的临界应力强度因子随之下降,说明其断裂敏感性逐渐升高。这是由于钢中C、S、P、Si、Mn等元素的偏析会促进腐蚀环境下氢的吸收,从而增大材料的氢致延迟断裂敏感性,使得材料在较低的应力水平下即发生断裂。而Ti、V、Mo、Ni、Nb等元素可细化晶粒,提高材料的韧性,减少偏析,而且所形成的细小析出物有利于形成氢的捕获陷阱,从而降低材料的延迟断裂敏感性。此外,也有研究指出,Al元素的添加可以显著改善含锰TWIP钢的氢致开裂敏感性。
  微观组织的影响。由于氢在不同组织中的扩散速度和储存能力不同,因此,材料的微观组织对延迟断裂敏感性的影响很大。从金相组织上讲,相比于奥氏体和全珠光体组织,铁素体—马氏体和单一马氏体组织钢材具有更高的氢致延迟断裂敏感性。此外,相同的应力水平下,加工诱发马氏体的含量越高,延迟断裂敏感性越大;在相同的强度水平下,含Mo的高温回火马氏体组织,比普通回火马氏体钢的极限扩散氢含量高,延迟断裂敏感性降低。同时,材料微观组织上的不均匀性,如晶界、相界等,由于原子错排和局部应力场的存在,会成为氢的捕获陷阱或氢快速传输的通道,从而影响材料的氢致延迟开裂行为。此外,降低晶粒尺寸,晶界处吸附的氢含量减少,也有利于改善材料沿晶界开裂的敏感性。
  16mn工字钢加工缺陷的影响。高强钢的加工会经历弯曲、拉拔、冷轧等工艺,不同的加工方式会在材料上留下微孔、微裂纹和位错等缺陷,这些缺陷位置会成为氢的捕获陷阱或者提供氢原子快速传输的通道,在外力作用下还会在缺陷位置形成应力集中,它们会对材料的氢致延迟开裂行为产生较大的影响。
  受力状态的影响。一方面,金属构件在服役过程中会受到各种外力的作用;另一方面,材料本身也会因为不同的加工成型过程而产生不同的残余应变状态。高强钢的主要成型工艺有折弯、扩孔和翻边、浅拉伸等,这些加工残余应变的存在会促进延迟断裂的发生。最新研究认为,加工过程中产生的残余应变是外加应力和材料中的可扩散氢含量之外的第三大导致高强钢延迟断裂失效行为发生的重要因素,氢致延迟断裂行为发生的敏感区处于高外加应力、高应变和高浓度扩散氢含量的重合区。
  环境的影响。环境主要是会影响氢向金属材料内部的渗透。金属在各种致氢环境中,如氢气、H2S气体和水溶液、水介质、丙酮等有机溶液中,氢致延迟断裂敏感性会大大增加。根据环境中氢来源的不同,高强钢的氢致延迟断裂行为主要分为以下两类:一类是服役环境渗入的氢(外氢)引起的延迟断裂,如桥梁用高强钢,在潮湿大气、雨水等环境中长期暴露发生腐蚀,由腐蚀反应生成的氢侵入钢中而发生延迟断裂。另一类是酸洗、电镀、焊接等制造过程中侵入钢中的氢(内氢)引起延迟断裂。以焊接为例,它是一个局部冶炼过程,局部高温可使焊条及药皮中所含的水分分解成氢原子进入金属。这些过程引入的氢含量较高,因此,16mn工字钢常常在施加应力后的几小时或几天内即发生延迟断裂失效。


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