高强钢延迟断裂敏感性评价研究现状

     随着现代工业的发展，对材料性能的要求越来越高，如汽车的轻量化、海洋开发的深海化、桥梁的超长化等对钢的强度提出了更高的要求，许多国家都非常重视高强钢的开发。 在日本、韩国和中国分别投入巨资实施的“超级钢计划”、“高性能结构钢计划”和“新一代钢铁材料的重大基础研究”中，高强钢的开发是其中的一个重要研究课题。但是，钢的强度越高，对氢的敏感性也越高，人们将这种由氢引起的材料断裂称为氢脆或延迟断裂。延迟断裂常在不可预知的情况下突然发生，往往导致较为严重的破坏和后果。高强钢服役期间由于延迟断裂引起的事故不胜枚举，不仅给国民经济造成巨大损失，还会给人们的日常生活和生产带来严重影响。因此，必须对高强钢进行氢致延迟断裂敏感性研究。

      目前，人们对高强钢的延迟断裂敏感性有很多评价方法，但是一致认为高强钢的延迟断裂是由氢引起的。延迟断裂的发生除了依存于钢材本身材料因素外，还依存于环境因素(外氢侵入)和应力因素。因此，很多研究者考虑从实际环境或钢材内氢含量出发作为评价钢材的延迟断裂敏感性的指标，本文主要对材料发生断裂的临界氢浓度进行研究。

     1992年铃木等人用升温解析法(Thermal Des￾orption Analysis, TDA) 在恒载荷条件下成功测出高强钢内的可扩散氢浓度(Diffusible hydrogen content,HD)，具有较好的重现性，最低检测限可达0.1×10-6（质量分数）。 铃木等提出钢的氢致延迟断裂存在一个临界氢浓度HC，目前把HC作为参数研究高强钢延迟断裂敏感性，主要有恒载荷试验法(Constant Loading Test,CLT)，慢拉伸试验法(Slow Strain Rate Test, SS￾RT)和常规拉伸试验法(Conventional Strain Rate Technique,CSRT)等。

1.1 CLT 测临界氢浓度

     平井等对开发的F10T高强螺栓钢进行延迟断裂敏感性评价，采用CLT实验法研究了缺口试样的应力集中因子Kt对HC的影响。结果表明，HC随着试样应力集中因子的增大而减小。Wang等用恒载荷试验对抗拉强度为1500和1300MPa的AISI4135钢(分别表示为B15，B13)进行了临界氢浓度测试。所用缺口试样的Kt值为4.9和2.1。试样首先在0.1N的NaOH溶液中进行预充氢，试样48h预充氢后表面经过电镀铬以防止试样内氢散出，然后在室温下放置24h使试样内部氢分布均匀。恒载荷试验在室温下0.9σB对试样加载，最大测试时间为100h。试样断裂后立刻保存在液氮中直到用TDS对其进行氢浓度测试。100h内没有断裂的试样也用同样办法进行氢浓度测试。图1为恒载荷下测得的B15和B13的临界氢浓度。可以看出，试样断裂时间随氢浓度的降低而延长，试样在最终断裂前在起裂区有氢浓度积聚过程。从图1中还可以看出，当氢浓度低于某个临界值时断裂不会发生，这个临界值可以认为是这两种材料0.9σB应力下的临界氢浓度HC。对于Kt4.9的缺口试样，B15钢的HC为0.04×10-6，B13钢0.28×10-6，Kt是2.1的B15钢HC为0.2×10-6。所以，发生延迟断裂时的临界氢浓度随着试样的应力集中系数或者抗拉强度的降低而增大。

图1 恒载荷实验测得1500MPa(B15)和1300MPa (B13)AISI4135钢的临界氢浓度

1.2 SSRT测临界氢浓度

     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。用CLT可以出测高强钢在一定载荷下的临界氢浓度，但是需要大量试样只能测出一个应力水平下的临界氢浓度，并且试验需要很长时间，比如100h。所以Wang等使用慢拉伸实验(拉伸速度0.005mm·min-1)结合氢浓度测试技术对几种高强钢进行了延迟断裂敏感性测试，用较少的试样测出应力-氢浓度的关系，并且大大缩短了实验时间。他们用抗拉强度为1300MPa的AISI4135钢采用慢拉伸实验发现，应力与氢浓度存在幂函数关系。

     对缺口试样电化学预充氢以后，在慢拉伸试验机上进行断裂应力测试，用TDA对断裂后的试样进行氢浓度分析。用慢拉伸实验结合氢分析技术可以得出应力-临界氢浓度关系，慢拉伸试样断裂时间一般在6h左右，可以大大缩短实验时间。图2为不同应力集中因子试样的缺口抗拉强度与氢浓度关系。可以看出，随着应力集中系数的减小，高强钢的耐延迟断裂敏感性提高。

图2 不同应力集中因子试样的缺口抗拉强度与氢浓度关系

1.3 CSRT 测临界氢浓度

     SSRT法已经表明在起裂区临界“最大应力-可扩散氢浓度”是材料的本身性质，但是SSRT比较困难复杂，因为它需要用一个特定的测试机器并且需要时间。荻原等提出用CSRT方法评价高强钢的延迟断裂敏感性，将拉伸速度提升至约1mm min-1时，可以忽略应力导致的氢扩散。他们对试样进行电化学预充氢，然后进行CSRT测试。为了与Wang等的SSRT实验结果比较，荻原等采用B13钢进行试验。他们对不同缺口试样首先进行大浓度范围的电化学预充氢，然后用CSRT实验方法进行应力测试，实验结果如图3所示。与图2相似，CSRT法测得抗拉强度与氢浓度也符合幂函数关系，根据CSRT和FEM计算的结果表明，发生延迟断裂部位的最大应力和可扩散性氢浓度的关系也是单一的幂函数关系，与试样的缺口形状无关。与Wang等用SSRT实验的结论是一致的，并且断口形貌与SSRT实验也是相同的，所以CSRT可以用来快速有效的评价高强钢延迟断裂敏感性。                 

图3 CSRT 实验法测得缺口试样抗拉强度随氢浓度的变化 

     HC（临界氢浓度）是研究高强钢延迟断裂敏感性的必要条件，但是在应用环境中进入的氢对延迟断裂的影响也需要考虑。环境氢进入试样是由材料在环境中的腐蚀行为引起的，关于材料的腐蚀国内外学者做了很多研究。如Dong和Wu等对不同钢材在多种环境中的腐蚀行为进行了深入系统研究，王俭秋等研究了在湿H2S环境中钢的腐蚀性能，王振尧等研究了周期干湿浸条件下两种钢的大气腐蚀行为。

     2015年李晓刚教授团队在Nature期刊提出了“腐蚀大数据”的原创概念，并围绕这一概念，提出处理“腐蚀大数据”理论层面的关键研究。研究环境氢可以使我国的腐蚀领域发展更深入更系统全面，海洋环境、石油天然气输送、大气环境等腐蚀环境侵入的氢均能使高强钢发生延迟断裂。Li等研究了1700MPa级螺栓用钢的延迟断裂敏感性：试样经电化学预充氢进行SSRT和TDA测试分析，该材料的HC明显高于其它材料，表现出非常好的耐延迟断裂性能；但是该材料经大气环境暴露实验表明：大气环境进入材料的氢对其强度的影响非常大。Li等采用电化学氢渗透实验，研究了纯铁中氢随循环腐蚀环境CCT的湿度和盐雾变化关系，并采用大气腐蚀监控装置(Atmo￾spheric Corrosion Monitor，ACM)监测对应的腐蚀电流，如图4所示。结果表明，随着环境湿度的升高氢渗透电流增大，在98%湿度和盐雾阶段氢渗透电流最高，对应的腐蚀电流也最高；氢渗透电流在湿度由98%降至50%的干燥阶段，出现电流峰值却没有监测到明显的腐蚀电流，该现象对实际大气环境暴露试样更为明显，说明了氢侵入行为与腐蚀行为复杂的对应关系。

图4 纯铁的电化学氢渗透电流和腐蚀电流随湿度和盐雾的变化关系

     综上所述，利用临界氢浓度研究可以有效评价高强钢延迟断裂敏感性。但是目前高强钢延迟断裂试验尚存在诸多困难。

（1）没有统一的评价延迟断裂敏感性的实验方法，相互之间缺乏互比性。没有统一的延迟断裂实验方法已成为高强钢实用化的最大障碍。

（2）延迟断裂测试的试验周期一般较长，如何缩短试验周期，加速延迟断裂实验过程，也是需要解决的问题。

（3）实际应用环境中氢侵入极其复杂，环境氢对高强钢延迟断裂敏感性的研究是该领域重要的研究课题。

     因此，把发生断裂的临界氢浓度与环境中的氢侵入行为研究相结合，探讨科学的延迟断裂敏感性评价方法是高强钢开发的关键环节之一。