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309S不銹鋼

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310S不銹鋼和45號鋼拉伸氫致脆斷研究

來源:至德鋼業 日期:2022-06-18 11:45:18 人氣:34

本文首先對310s不銹鋼實心圓棒試樣、空心圓管試樣和板試樣進行充氫后拉伸破壞試驗研究氫對試樣拉伸斷裂的影響。310s不銹鋼具有較強的抗氫脆性能而不易發生氫致脆斷。作為比較,又用氫較為敏感的45號鋼作為研究材料。將45號鋼原材料加工實心圓棒試樣和不同U形缺口實心圓棒試樣。對實心圓棒試樣按照不同充氫時間充氫后再拉伸試驗,并觀察斷口的微觀形貌,研究不同氫濃度對材料宏觀力學性能和斷裂方式的影響。對不同U形缺口實心圓棒試樣進行12h的充氫后拉伸試驗,記錄試樣最小橫截面直徑在拉伸斷裂前后的變化和載荷位移曲線,研究氫對不同缺口試樣拉伸斷裂的影響。

為了解45號鋼試樣可能的氫濃度分布,利用有限元軟件ABAQUS模擬試樣在充氫過程和拉伸過程的氫擴散行為,通過氫濃度分布分析45號鋼材料的氫致脆斷。參照氫致弱鍵理論(HEDE)機制,假設氫的作用導致材料微孔洞更容易形核,孔洞聚合所需能量減少,以此將GTN模型損傷參數與氫濃度關聯。通過不同充氫實心圓棒試樣模擬與實測的載荷-位移曲線對比來調試GTN模型損傷參數與氫濃度關系,并進行驗證。對比試驗與模擬之間試驗頸縮部位的破壞和變形,提取斷裂前斷裂面上的應力三軸度和孔洞體積分數,分析不同充氫試樣起裂點的差異性。此外,模擬了45號鋼充氫和不充氫U形缺口實心圓棒試樣拉伸破壞過程,對兩者的模擬結果進行了對比。全文的主要結論如下:

1)通過310s不銹鋼不同形式試樣充氫后拉伸試驗,發現只有外表面充氫的空心圓管試樣和單面充氫的2mm厚度板試樣表現出延性降低的現象,說明310s不銹鋼具有較強的抗氫脆性能,抗氫脆性能與試樣形式和充氫方式有關。

2)對45號鋼實心圓棒試樣進行不同時間充氫后的拉伸試驗,在此基礎上研究45號鋼在不同氫濃度下的氫致脆斷。試驗結果表明,隨充氫時間的增加,試樣的延伸率和平均斷裂應變減小,斷口韌窩數目減少,準解理區域增加,但該變化隨充氫時長增加逐漸減緩并趨于穩定。

3)對45號鋼未充氫和充氫U形缺口實心圓棒試樣進行了拉伸試驗,通過對比兩者的應力-位移曲線、斷裂應變和斷口微觀形貌,發現氫對缺口試樣的氫致破壞有影響,且缺口越小,氫促進破壞的作用越大。

4)對45號鋼試樣在充氫和拉伸時氫的擴散過程進行了數值模擬。模擬結果表明,充氫過程中氫濃度沿著半徑減小方向遞減,在拉伸至試樣斷裂前,考慮應力梯度作用,試樣內部氫濃度沿著半徑減小方向先增大后減小。

5)將HEDE機制和受氫影響的材料微孔洞演化機制引入GTN本構模型,模擬了45號鋼充氫實心圓棒試樣和缺口試樣拉伸氫致脆斷過程,模擬結果可合理解釋和再現試驗觀測到的現象,利用此方法可預測鋼材的氫致脆斷發生。

不足與展望

1)由于試樣內部缺陷和氫陷阱的存在,無法準確確定試樣內部的氫含量和氫濃度分布,這需要借助先進的技術進行研究,若能定量研究氫致脆斷,這將是一項重大突破性工作。

2)本文所設計的拉伸試驗是在單一加載速率常溫下進行的,氫對材料起到加速破壞作用可能受到加載速率和溫度的影響,另外氫會導致疲勞壽命的降低,進一步的工作可以考慮在不同加載速率、不同溫度和循環加載方式下研究材料的氫致脆斷。

3)由于310s不銹鋼氫擴散率較小,在充氫再拉伸試驗中氫對材料的影響效果未能顯現出來,在后續的研究中可以選擇合適的試樣和充氫制度對310s不銹鋼氫致脆斷進行深入研究。

4)氫擴散數值模擬中沒有考慮材料氫陷阱的影響,而氫富集的氫陷阱位置往往容易發生氫致脆斷,后續可以考慮氫陷阱對氫致鋼材料脆斷的影響。

5)本文通過HEDE機制修改的GTN模型預測了材料氫致脆斷行為,進一步工作可以參照HELP機制、HIE機制、AIDE機制以及各個氫脆機制結合作用,修改相關損傷模型來預測材料的氫致脆斷。

本文標簽:310S不銹鋼 

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