4130X在50 MPa氫環(huán)境下的斷裂力學(xué)性能試驗研究

顧超華， 姚彥辰， 趙益明， 馬 凱， 匡繼勇， 張睿明， 劉亞宇， 花爭立， 彭文珠

(浙江大學(xué) 化工機械研究所， 浙江 杭州 310027)

氫能具有來源多樣、清潔低碳、靈活高效及應(yīng)用場景豐富等特點，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?。世界各國都對氫能的發(fā)展高度重視，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方興未艾。鉻鉬鋼具有良好的淬透性和抗高溫回火脆性能力，且綜合性能良好，被廣泛用于大容積無縫儲氫容器的制造。然而，作為體心立方晶格結(jié)構(gòu)的材料，鉻鉬鋼在高壓氫環(huán)境下會面臨因高壓氫脆引起的疲勞裂紋擴展速率加快和斷裂韌度降低等斷裂力學(xué)性能劣化的現(xiàn)象，對鉻鉬鋼儲氫容器的安全運行產(chǎn)生威脅[1-3]。目前，國外針對其常用鉻鉬鋼材料SA372和SCM435等的臨氫斷裂力學(xué)性能已開展了諸多試驗研究，Somerday等[4]對SA372 Grade J鋼在100 MPa氫環(huán)境下開展了疲勞裂紋擴展速率試驗，結(jié)果表明材料在氫環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率約為惰性氣體環(huán)境下的100倍。Wada[5]在45 MPa和90 MPa氫環(huán)境下的試驗表明高壓氫氣使得SCM435的疲勞裂紋擴展速率加快10倍以上。Iijima等[2]20,[3]22對SA372 Grade J在45 MPa氫環(huán)境下的斷裂韌性進行了研究，結(jié)果表明高壓氫氣能夠顯著降低材料抵抗裂紋開裂的能力。此外，諸多學(xué)者還針對鉻鉬鋼氫脆性能的影響因素開展了研究。Wada等[6]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣壓力從1 MPa增加至90 MPa時，SCM435的疲勞裂紋擴展速率增加了約30倍。Somerday等[7]在103 MPa氫環(huán)境下通過SA372 Grade J和SA372 Grade L的斷裂韌度測試研究了材料強度的影響，結(jié)果表明強度越高，材料的斷裂韌度越低。我國常用鉻鉬鋼材料為4130X，其化學(xué)成分、力學(xué)性能等與SA372、SCM435等材料有所不同。張鑫等[8]對國產(chǎn)4130X在高壓氫環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率進行了測試，結(jié)果表明92 MPa氫環(huán)境下4130X的疲勞裂紋擴展速率相比于空氣環(huán)境下加快了約30～50倍。目前，針對國產(chǎn)4130X在高壓氫環(huán)境下的斷裂力學(xué)性能的相關(guān)研究仍然相對匱乏。

課題組利用浙江大學(xué)研發(fā)的高壓氫環(huán)境材料耐久性試驗裝置，對4130X在50 MPa氫環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌度開展試驗研究，獲得了高壓氫氣對材料斷裂力學(xué)性能的影響規(guī)律，并對高壓氫氣的影響機理進行了探究。

1 高壓氫環(huán)境材料耐久性試驗裝置

針對金屬材料面臨的高壓氫環(huán)境氫脆，浙江大學(xué)成功研發(fā)了我國首臺高壓氫環(huán)境材料耐久性試驗裝置，如圖1所示。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料在高壓氫環(huán)境下的慢應(yīng)變速率拉伸、疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌度以及低周疲勞試驗。

圖1 高壓氫環(huán)境材料耐久性試驗裝置Figure 1 Durability test device for high pressure hydrogen environmental materials

高壓氫環(huán)境材料耐久性試驗裝置主要由高壓氫環(huán)境箱系統(tǒng)、置換及供氣系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和總控系統(tǒng)組成，如圖2所示。高壓氫環(huán)境箱為試驗提供密閉的高壓氫環(huán)境空間，具備穩(wěn)壓和溫控功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)試樣的快速更換。置換及供氣系統(tǒng)用于獲得試驗所需的高壓氣體環(huán)境，由空壓機、油水分離器、管道、控制閥、真空泵和氫氣壓縮機等組件組成；該系統(tǒng)可實現(xiàn)對環(huán)境箱和管路系統(tǒng)抽真空、氣體吹掃以及增壓等功能。加載系統(tǒng)為試驗機進行材料力學(xué)性能試驗提供動力源，主要由油源、試驗機控制器和試驗機主機等組成。總控系統(tǒng)對各系統(tǒng)和模塊進行控制協(xié)調(diào)，主要包括遠程控制系統(tǒng)、測量記錄系統(tǒng)和泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2 高壓氫氣環(huán)境材料耐久性試驗裝置系統(tǒng)示意圖Figure 2 Schematic diagram of durability test device system for high-pressure hydrogen environmental materials

高壓氫環(huán)境材料耐久性試驗裝置的最高工作壓力可達140 MPa，最高工作溫度為100 ℃，最大靜態(tài)和動態(tài)試驗力分別為±120 kN和±100 kN，最小應(yīng)變速率為10-7s-1，加載頻率為0.001～10.000 Hz。課題組可通過位移、載荷以及應(yīng)變3種模式控制試驗。

2 4130X的臨氫斷裂力學(xué)性能試驗研究

2.1 材料及試樣

研究所用4130X試樣取自設(shè)計壓力為50 MPa的大容積無縫儲氫容器，容器結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，容器在旋壓成型后進行淬火加回火的熱處理。4130X的化學(xué)成分滿足GB/T 33145—2016的要求[9]，力學(xué)性能滿足T/CATSI 05003—2020的要求[10]3-4，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

圖3 50 MPa大容積無縫儲氫容器結(jié)構(gòu)尺寸Figure 3 Structural dimension diagram of large volume hydrogen storage vessel

表1 4130X的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 4130X %

表2 4130X的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 4130X

疲勞裂紋擴展速率試驗和斷裂韌度試驗均采用緊湊拉伸試樣，如圖4所示。兩種試樣均在筒體中部近內(nèi)表面處沿著T-L方向(載荷方向為環(huán)向、缺口方向為容器軸向)取樣。

圖4 試驗所用試樣Figure 4 Samples used in test

2.2 試驗方法

疲勞裂紋擴展速率試驗和斷裂韌度試驗均依據(jù)GB/T 34542.2—2018 《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第2部分 金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗方法》進行。

2.2.1 疲勞裂紋擴展速率試驗

當(dāng)承受疲勞載荷作用時，載荷每循環(huán)一次對應(yīng)的裂紋擴展量即為疲勞裂紋擴展速率，記為da/dN。測試da/dN的關(guān)鍵在于疲勞裂紋長度的測量，文中采用柔度法，柔度計算公式為

(1)

式中：B為試樣厚度，E為材料的彈性模量，Vx為測量點的位移，P為載荷。

柔度與歸一化裂紋長度關(guān)系為

(2)

式中：a為裂紋長度，W為試樣寬度，C0～C5為與測量位置有關(guān)的參數(shù)。

通過疲勞裂紋擴展速率試驗可獲得應(yīng)力強度因子范圍ΔK與da/dN的關(guān)系曲線，其中表征裂紋穩(wěn)定擴展階段的曲線通常采用Paris公式進行描述[12]：

(3)

式中：C和m均為疲勞裂紋擴展參數(shù)，通過對試驗數(shù)據(jù)進行擬合即可得到該參數(shù)。

2.2.2 斷裂韌度試驗

斷裂韌度的測量采用J積分法，加載時采用引伸計直接測量加載線位移，并計算裂紋擴展量Δa及對應(yīng)的J積分值，據(jù)此獲得材料的裂紋擴展阻力曲線(R曲線)；亞臨界開裂門檻值JIH取0.2 mm偏置鈍化線與R曲線的交點對應(yīng)的J積分值，KIH通過下式獲得：

(4)

式中v為泊松比。

裂紋擴展量Δa和J積分通過卸載柔度法[13]測量并計算，試驗過程中在特定時間間隔內(nèi)對試樣部分卸載再加載，在第k次卸載/再加載時的彈性柔度為

(5)

式中：ΔF為力值變化量，Δq為加載線位移，每次卸載的裂紋長度為ak。

通過測量的柔度Ck可利用理論或者經(jīng)驗公式進行計算：

(a/W)k=f(Ck)。

(6)

疲勞裂紋擴展速率試驗和斷裂韌度試驗均采用高壓氫環(huán)境特制引伸計進行數(shù)據(jù)采集，該引伸計在空氣環(huán)境下標(biāo)定，但通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠避免在高壓氫環(huán)境下因氫氣侵入而產(chǎn)生膨脹和分層，確保了高壓氫環(huán)境下信號的穩(wěn)定和正確[14]。

2.3 試驗過程

裝夾好試樣后首先對氫氣管路及環(huán)境箱抽真空，然后通入2 MPa氫氣進行吹掃，之后利用增壓系統(tǒng)對環(huán)境箱增壓至50 MPa，保壓30 min后開始試驗。疲勞裂紋擴展速率試驗通過力控制方式加載，加載頻率f為1 Hz，力值比R為0.1；斷裂韌度試驗采用位移控制加載，位移加載速率為0.04 mm/min。2種試驗各進行3次平行試驗，以確保試驗結(jié)果準(zhǔn)確有效。

2.4 試驗結(jié)果及討論

2.4.1 疲勞裂紋擴展速率

f為1 Hz、R為0.1，50 MPa氫環(huán)境下3個疲勞裂紋擴展速率試驗獲得的da/dN-ΔK曲線如圖5所示，圖中同時列舉了文獻中4130X的疲勞裂紋擴展速率[15]。可以看出高壓氫氣能夠顯著增加4130X的疲勞裂紋擴展速率，這與文獻中的測試結(jié)果是一致的。與空氣相比，50 MPa氫環(huán)境下4130X的疲勞裂紋擴展速率加快了約10～16倍。此外，氫氣對4130X疲勞裂紋擴展速率的作用還與材料以及氫氣壓力等因素有關(guān)。通常情況下，材料強度越高，氫環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率越快，國外標(biāo)準(zhǔn)ASME Ⅷ-3—2019[16]、ISO 11120—2015[17]以及國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)TSG 21—2019[18]，T/CATSI 05003—2020[10]3-4等均規(guī)定了鉻鉬鋼用于氫環(huán)境下時的抗拉強度上限，其中國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限通常為950 MPa左右，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為880 MPa。氫氣壓力也是重要的影響因素，氫氣壓力越高，材料的疲勞裂紋擴展速率越快，但研究表明存在一個壓力閾值，當(dāng)氫氣壓力達到該壓力閾值時，氫氣壓力對材料疲勞裂紋擴展速率將不再產(chǎn)生影響[19]。

圖5 疲勞裂紋擴展速率試驗的ΔK-da/dN曲線Figure 5 ΔK-da/dN curve of fatigue crack growth rate test

對于材料在高壓氫環(huán)境下疲勞裂紋擴展速率的加快現(xiàn)象目前主要通過結(jié)合空氣下材料的疲勞裂紋擴展行為[20]和HELP等氫脆理論進行解釋。在空氣下，裂紋尖端會在交變載荷作用下反復(fù)出現(xiàn)塑性鈍化和銳化的現(xiàn)象，從而使得裂紋發(fā)生疲勞擴展[21]。然而，諸多研究對于高壓氫環(huán)境下試樣的疲勞裂紋擴展路徑觀測發(fā)現(xiàn)，氫環(huán)境下裂紋的擴展路徑上出現(xiàn)了滑移在裂紋尖端的局域化分布現(xiàn)象[22-23]。HELP理論認(rèn)為氫會使得裂紋尖端產(chǎn)生局域化塑性變形，導(dǎo)致滑移的局域化，而在滑移的作用下，裂紋尖端在拉應(yīng)力增加時難以像在空氣下那樣張開，而是持續(xù)向前擴展，也就是說氫阻礙了裂紋尖端的塑性鈍化和銳化過程，使得一次加載時裂紋向前的擴展量大于空氣下的擴展量，宏觀表現(xiàn)為氫環(huán)境下材料疲勞裂紋擴展速率加快。

2.4.2 斷裂韌度KIH

采用增位移法測試材料在速率為0.04 mm/min、50 MPa氫環(huán)境下的斷裂韌度，得出3個試樣的載荷-加載線位移曲線和裂紋擴展阻力曲線，如圖6所示。通過裂紋擴展阻力曲線可得亞臨界開裂門檻值JIH，斷裂韌度KIH通過式(4)轉(zhuǎn)換獲得。4130X在50 MPa氫氣下的斷裂韌度測試結(jié)果如表3所示。在文獻[24]中已經(jīng)測試了4130X在空氣下的斷裂韌度為232 MPa·m1/2，可以看出，高壓氫環(huán)境下4130X阻礙裂紋擴展的能力顯著減低，其斷裂韌度的降幅達到71.1%。

圖6 斷裂韌度測試曲線Figure 6 Curves of fracture toughness test

表3 50 MPa氫環(huán)境下4130X的斷裂韌度測試結(jié)果Table 3 Fracture toughness test results of 4130X under 50 MPa hydrogen environment

將完成試驗的試樣通過交變載荷沿著裂紋擴展方向拉斷，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的斷面形貌，空氣和50 MPa氫環(huán)境下4130X試樣的斷面形貌如圖7所示?？梢钥闯?，空氣環(huán)境下的試樣斷面上分布著大量的韌窩和孔洞，說明4130X在空氣環(huán)境下的斷裂模式為微孔聚集斷裂，但氫氣環(huán)境下韌窩和孔洞明顯減少，試樣斷面上可以觀察到明顯的二次裂紋，斷裂模式變?yōu)榱藴?zhǔn)解理斷裂。目前，鉻鉬鋼氫致斷裂的機理尚不明確，但一般認(rèn)為與塑性有關(guān)，Takeda等[25]將低合金回火鋼在氫氣環(huán)境下的斷裂機理稱為塑性相關(guān)的氫致開裂(PRHIC)。該理論認(rèn)為材料的氫致開裂包含了微裂紋的形成和微裂紋之間的合并2個階段，前一個階段由應(yīng)力控制，后一個階段由應(yīng)變控制。這一特點與微孔聚集斷裂相似，即宏觀裂紋起源于應(yīng)力控制的空洞等初始損傷，隨后初始損傷在累積塑性變形的作用下發(fā)生擴展和合并，最終形成了宏觀裂紋。Martin等[26]認(rèn)為氫致斷裂過程中控制損傷形核的應(yīng)力包括遠程應(yīng)力和局部應(yīng)力。根據(jù)HELP理論，氫促進了位錯運動，導(dǎo)致局域化塑性變形的產(chǎn)生，這加劇了基體和剛性夾雜物之間應(yīng)變的不協(xié)調(diào)，使得有利于損傷形核的局部應(yīng)力變大，在試樣斷面上表現(xiàn)為損傷形核顆粒的明顯缺失。因此，氫的存在改變了局部應(yīng)力與遠程應(yīng)力之間的關(guān)系，對于相同的遠程應(yīng)力，由于氫致局域化塑性變形的作用使得氫環(huán)境下的局部應(yīng)力大于空氣環(huán)境下的局部應(yīng)力，相應(yīng)的氫環(huán)境下產(chǎn)生損傷形核的局部應(yīng)力閾值所對應(yīng)的遠程應(yīng)力要比空氣環(huán)境下小，這在宏觀試驗現(xiàn)象上即表現(xiàn)為氫環(huán)境下的斷裂韌度降低。

圖7 4130X的SEM斷口形貌Figure 7 SEM fracture morphology of 4130X

通過上述50 MPa氫環(huán)境下4130X的疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌度試驗研究可以看出，高壓氫氣能夠使得4130X的斷裂力學(xué)性能發(fā)生顯著劣化，這有可能導(dǎo)致由該材料制成的臨氫零部件發(fā)生疲勞失效，因此在對4130X儲氫容器進行疲勞評定時應(yīng)當(dāng)考慮高壓氫氣對材料斷裂力學(xué)性能的劣化影響。

3 結(jié)論

課題組利用浙江大學(xué)研發(fā)的高壓氫環(huán)境材料耐久性試驗裝置，對4130X在50 MPa氫環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌度開展了試驗研究。結(jié)果表明：相比于空氣環(huán)境下，50 MPa氫環(huán)境下4130X的疲勞裂紋擴展速率加快了約10～16倍，斷裂韌度降低了約71.1%。氫致局域化塑性變形可能阻礙了疲勞擴展過程中裂紋尖端的塑性鈍化行為，改變了控制損傷形核的遠程應(yīng)力和局部應(yīng)力之間的關(guān)系，造成了材料在氫環(huán)境下斷裂力學(xué)性能的劣化。由4130X制成的臨氫零部件的疲勞評定應(yīng)當(dāng)考慮高壓氫氣對材料斷裂力學(xué)性能的劣化影響。