氫對(duì)30CrMnSiNi2A扭轉(zhuǎn)破壞及扭轉(zhuǎn)疲勞的影響研究

岑成賢,陸大敏,陳波,張光,張克實(shí)*

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 廣西南寧530004;2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004;3.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院, 陜西西安710072)

0 引言

具有高強(qiáng)度和良好韌性的高強(qiáng)鋼被越來(lái)越多地應(yīng)用于航空航天、海洋工程、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。受環(huán)境的影響，使用過(guò)程中氫可能進(jìn)入材料中導(dǎo)致氫脆，使得鋼的力學(xué)性能如強(qiáng)度、延性、抗疲勞性能等大大降低，造成零部件的安全隱患。研究發(fā)現(xiàn)，鋼強(qiáng)度越高對(duì)氫脆效應(yīng)越敏感[1-4]；氫對(duì)鋼的彈性變形影響較小[5]，對(duì)塑性變形能力的影響較大，使得材料的延伸率和斷面收縮率顯著下降[6-8]；隨著氫含量增加，上述作用越明顯。而且氫可改變材料的斷裂方式，斷口形貌由韌窩型韌性斷裂向準(zhǔn)解理斷裂和沿晶斷裂方式轉(zhuǎn)變[9-10]，氫含量越多這種轉(zhuǎn)變?cè)斤@著[11-12]。更重要的是，氫還會(huì)影響材料的疲勞性能，顯著降低材料的疲勞強(qiáng)度，使材料的疲勞穩(wěn)定性變差[13-14]。疲勞裂紋擴(kuò)展速率因氫的存在會(huì)有明顯的提高[15-17]，從而大大降低材料的疲勞失效壽命[18-19]。

以往關(guān)于氫對(duì)金屬材料性能影響的研究大多集中在材料的抗拉性能或者拉壓疲勞方面，對(duì)純扭荷載作用下，氫對(duì)材料的抗剪性能影響研究較少。根據(jù)擴(kuò)散原理，一般認(rèn)為，在存在靜水應(yīng)力的情形下，原子氫會(huì)通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散而富集。而純剪切應(yīng)力狀態(tài)下，由于不存在靜水應(yīng)力，因此氫無(wú)法在應(yīng)力誘導(dǎo)下富集，也就不會(huì)產(chǎn)生氫致開(kāi)裂[20]。文獻(xiàn)[21-24]研究發(fā)現(xiàn)，充氫后III型圓柱裂紋試樣，在恒扭矩的作用下會(huì)產(chǎn)生沿45°面的氫致滯后斷裂，斷口是典型的沿晶斷口形貌，而未充氫斷口形貌則是韌窩為主導(dǎo)，氫對(duì)純扭轉(zhuǎn)疲勞的影響并沒(méi)有進(jìn)行探討。

針對(duì)氫對(duì)金屬材料純扭下破壞及低周扭轉(zhuǎn)疲勞破壞的影響，本文以30CrMnSiNi2A鋼為研究對(duì)象，采用薄壁圓管試樣，按電化學(xué)充氫方式對(duì)試樣進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)充氫，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行材料的單調(diào)扭轉(zhuǎn)和恒幅扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)研究。對(duì)不同充氫試樣，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析氫對(duì)材料單調(diào)剪切破壞和循環(huán)剪切疲勞的影響；再用掃描電鏡對(duì)斷口的形貌進(jìn)行觀察和分析，探討不同充氫條件下單調(diào)和循環(huán)剪切破壞形式的差異。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為直徑20 mm退火狀態(tài)的30CrMnSiNi2A合金結(jié)構(gòu)鋼圓棒，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。熱處理工藝為：在箱式電阻爐里將材料加熱到890 ℃，保溫90 min然后油淬，再經(jīng)過(guò)400 ℃回火，保溫90 min然后取出在空氣中冷卻。熱處理后材料的顯微組織如圖1所示，圖中清晰地顯示出回火馬氏體組織和原奧氏體晶界，在圖1局部放大圖中用黑色線對(duì)原奧氏體晶界進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。

表1 30CrMnSiNi2A化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 30CrMnSiNi2A %

圖1 30CrMnSiNi2A 熱處理后微觀組織圖Fig.1 Microstructure of 30CrMnSiNi2A in as received condition

將材料加工成薄壁圓管試樣，試樣幾何尺寸如圖2所示。試樣內(nèi)外表面都進(jìn)行拋光處理，兩端的內(nèi)孔用金屬堵頭堵上以保證試驗(yàn)機(jī)夾持。

圖2 試樣幾何尺寸Fig.2 Detailed size of the specimen

1.2 電化學(xué)充氫方法

圖3 電化學(xué)充氫試驗(yàn)Fig.3 Electrochemical hydrogen charging test

一些研究者[25-27]在研究材料充氫含量隨充氫時(shí)間變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，在相同充氫條件下，氫的含量隨充氫時(shí)間的增加而增加，直至飽和，即充氫時(shí)間越長(zhǎng)，試樣內(nèi)的氫濃度越高，因此，本文以充氫時(shí)長(zhǎng)作為間接度量指標(biāo)，研究氫對(duì)30CrMnSiNi2A鋼的扭轉(zhuǎn)行為及扭轉(zhuǎn)疲勞壽命的影響。

1.3 不同充氫時(shí)長(zhǎng)光滑試樣的單調(diào)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

圖4 試樣扭轉(zhuǎn)角示意圖 Fig.4 Schematic diagram of torsion angle of sample

為研究不同充氫時(shí)長(zhǎng)條件下，氫對(duì)材料抗剪性能的影響，充氫時(shí)間分別指定為1、2、17 h。當(dāng)達(dá)到指定充氫時(shí)間后，迅速將試樣從溶液中取出，用清水沖洗，擦拭干凈。然后通過(guò)位移加載方式，在MTS-809型拉扭電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行慢應(yīng)變率扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，加載速率為0.02(°)/s，用軸向-扭轉(zhuǎn)引伸計(jì)(MTS632.80F-04型)測(cè)量試件標(biāo)距段(長(zhǎng)25 mm)的扭轉(zhuǎn)角θ，圖4是試樣回轉(zhuǎn)角θ的示意圖，T為扭矩，所有試驗(yàn)均在室溫下完成。

1.4 不同充氫時(shí)長(zhǎng)光滑試樣的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 充氫后材料扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能分析

圖5展示了材料在不同充氫時(shí)間下剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。由圖可知，未充氫材料具有承受較大剪切變形的能力；而材料充氫后，韌性逐漸減小，逐漸趨于脆性。充氫1 h后，由于氫的作用使得材料的抗剪強(qiáng)度明顯降低，剪應(yīng)力未達(dá)峰值試樣就已斷裂，變形承受能力也顯著下降；當(dāng)充氫時(shí)間增加到2 h時(shí)，材料的抗剪強(qiáng)度和能承受的變形進(jìn)一步減少；而當(dāng)充氫達(dá)到17 h時(shí)，材料的抗扭能力急劇下降，在較小的應(yīng)變下就發(fā)生了脆斷。

圖6顯示了不同充氫時(shí)長(zhǎng)的薄壁圓管試樣氫致扭轉(zhuǎn)斷裂的圖像。由圖可知，試樣沒(méi)充氫時(shí)，試樣被扭成了麻花狀也沒(méi)破斷，失效是因?yàn)榘l(fā)生屈曲變形，表面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯可見(jiàn)裂紋。充氫1 h后，試樣扭轉(zhuǎn)發(fā)生了與軸向垂直的橫向斷裂。由于氫的作用，試樣抗剪強(qiáng)度和變形承受能力下降,因此發(fā)生剪切斷裂。充氫2 h后，扭轉(zhuǎn)試樣出現(xiàn)了與軸向近似于但大于45°的宏觀裂紋；而充氫17 h，則出現(xiàn)了貫穿整個(gè)工作段的宏觀裂紋，裂紋擴(kuò)展方向與試樣縱軸近似于而小于45°。

圖5 不同充氫條件下30CrMnSiNi2A鋼剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線Fig.5 Shear stress-stain curve of 30CrMnSiNi2A under different hydrogen charging conditions

圖6 不同充氫時(shí)間時(shí)材料單調(diào)扭轉(zhuǎn)破壞對(duì)比Fig.6 Comparison of monotone torsion failure of material with different hydrogen changing time

對(duì)純扭試驗(yàn)，在薄壁圓管試樣中段處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，沿著和垂直于試樣縱軸的正應(yīng)力近于0。其最大主應(yīng)力σ1方向與剪切應(yīng)力的夾角為45°，數(shù)值上與最大剪應(yīng)力相等。由圖4曲線可知，隨著試樣內(nèi)氫濃度增加，抗剪強(qiáng)度下降變得愈明顯。充氫1 h試樣，由于氫濃度還相對(duì)較低，試樣中的剪應(yīng)力首先達(dá)到材料的抗剪強(qiáng)度，而主應(yīng)力σ1還小于材料的抗拉強(qiáng)度，因此出現(xiàn)了剪切破壞。

充氫2、17 h后，隨試樣的氫濃度增加，其抗剪強(qiáng)度也進(jìn)一步降低，2種情形下，試樣都出現(xiàn)了沿縱軸近似于45°方向的宏觀裂紋(裂紋面近似垂直于主應(yīng)力σ1)，也說(shuō)明試樣充氫后不僅降低了材料的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)也降低了材料的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)氫濃度較高時(shí)，抗拉強(qiáng)度嚴(yán)重下降，因而導(dǎo)致試樣出現(xiàn)裂紋面近似垂直于主應(yīng)力σ1的45°裂紋，這意味著試樣中最大剪切應(yīng)力還小于抗剪強(qiáng)度時(shí)，主應(yīng)力σ1先達(dá)到了抗拉強(qiáng)度。

企業(yè)多元化經(jīng)營(yíng)需要占用大量的資金，如果不能獲取足夠多的現(xiàn)金凈流量那么企業(yè)的資金鏈將陷入困境。樂(lè)視亟待找尋低投入高收益的項(xiàng)目來(lái)緩解窘境，否則只能陷入惡性循環(huán)導(dǎo)致資金鏈斷裂。

綜上分析，由于氫的作用改變了材料抗剪破壞和抗拉破壞的能力，因此改變了材料扭轉(zhuǎn)的破壞模式。當(dāng)氫濃度增加到一定程度，試樣由剪切破壞向拉伸破壞轉(zhuǎn)變。需指出，伴隨材料破壞模式改變，斷裂應(yīng)變也急劇下降。結(jié)合圖5可看出，試樣由剪切破壞向拉伸破壞轉(zhuǎn)變，可認(rèn)為也是從韌性破壞到脆性破壞的轉(zhuǎn)變。

2.2 充氫材料扭轉(zhuǎn)失效斷口形貌分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣從設(shè)備上取下，并取出斷口觀測(cè)樣本。然后用掃描電鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察分析。圖7為充氫1 h后試樣扭轉(zhuǎn)破壞的剪切斷口形貌，圖7(a)為斷口全貌圖，圖7(b)為圖7(a)中I區(qū)域局部放大圖。由圖7(a)的可知，試樣剪切裂紋斷口表面比較平坦，從斷口分布有韌窩(圖7(b))可知材料發(fā)生的是典型韌性破壞。由于最大剪應(yīng)力和剪切應(yīng)變分布于試樣表面，因此裂紋首先在表面萌生，并隨試樣的扭轉(zhuǎn)變形而逐漸擴(kuò)展。隨著裂紋的擴(kuò)展，其上、下2個(gè)部分因出現(xiàn)接觸而發(fā)生相互擠壓，從而出現(xiàn)擠壓紋，因而擠壓紋分布的方向即為裂紋擴(kuò)展的方向。圖7(b)顯示擠壓紋沿箭頭方向分布，因而可知，裂紋沿著試樣的厚度方向由外向內(nèi)擴(kuò)展。

(a) 扭轉(zhuǎn)破壞斷口形貌

充氫后試樣單調(diào)扭轉(zhuǎn)破壞斷口形貌如圖8所示。圖8(a)為充氫2 h試樣扭轉(zhuǎn)破壞斷口形貌。試樣是受到σ1的拉伸作用而破壞(見(jiàn)圖6分析)。圖8(a)和其I區(qū)域放大圖(圖8(b))顯示，斷口表面有二次裂紋，分布著冰糖狀的沿晶斷裂形貌和有明顯撕裂嶺的準(zhǔn)節(jié)理形貌，屬于混合型斷口，具有脆性斷裂特征。

圖8(c)和圖8(d)分別為充氫17 h后試樣扭轉(zhuǎn)破壞的斷口形貌和圖8(c)中II區(qū)域局部放大圖,其斷口表面凹凸不平，可觀察到有較長(zhǎng)的沿垂直壁厚方向擴(kuò)展的裂紋和沿壁厚擴(kuò)展橫向裂紋，同時(shí)還分布有大量的二次裂紋，以沿晶斷裂為主要形貌特征，屬于脆性斷裂斷口。

(a) 充氫2 h

(c) 充氫17 h

綜上分析表明，材料氫濃度越高，氫在晶界附近富集的越多，使得晶界在外荷載作用變形過(guò)程中變得越薄弱，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展，表現(xiàn)為充氫后抗剪強(qiáng)度和剪切塑性應(yīng)變下降，斷口形貌由韌性向沿晶斷裂與準(zhǔn)節(jié)理形貌轉(zhuǎn)變。氫濃度較小時(shí)，材料抗剪強(qiáng)度降低速率小于抗拉強(qiáng)度降低速率，因而發(fā)生剪切破壞。當(dāng)氫濃度增加到一定程度，材料抗拉強(qiáng)度降低比抗剪強(qiáng)度嚴(yán)重，材料中σ1先達(dá)到抗拉強(qiáng)度，因此發(fā)生由于σ1作用的脆性拉伸破壞。

2.3 充氫材料扭轉(zhuǎn)疲勞結(jié)果分析

表2 30CrMnSiNi2A不同充氫條件下扭轉(zhuǎn)疲勞壽命表Tab.2 Test torsional fatigue life of 30CrMnSiNi2A with different hydrogen charging time

2.4 充氫扭轉(zhuǎn)疲勞斷口形貌分析

①未充氫扭轉(zhuǎn)疲勞斷口形貌

②充氫1 h扭轉(zhuǎn)疲勞斷口形貌

(e) 圖(c)中III區(qū)域局部放大圖

③充氫2 h扭轉(zhuǎn)疲勞斷口形貌

氫對(duì)鋼的疲勞破壞等有很大的影響[18,28]，材料在循環(huán)荷載作用下，進(jìn)入材料的氫原子通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)或位錯(cuò)遷移能快速向內(nèi)部擴(kuò)散，并富集在材料缺陷如位錯(cuò)、晶界、裂紋尖端等局部區(qū)域，導(dǎo)致這些缺陷變得更加脆弱，更容易萌生微裂紋。在疲勞微裂紋形成后，在循環(huán)荷載作用下，氫會(huì)聚集在疲勞裂紋的尖端，造成裂紋區(qū)域塑性變差，裂紋擴(kuò)展所需能量降低，從而促進(jìn)裂紋快速擴(kuò)展，導(dǎo)致材料疲勞壽命大幅降低，氫濃度越高，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。

氫對(duì)疲勞壽命的影響還與應(yīng)變幅有關(guān)，在相同的氫濃度下，大應(yīng)變幅的試樣內(nèi)微裂紋裂尖前緣的塑性區(qū)內(nèi)有較大的應(yīng)力，在較短時(shí)間內(nèi)即會(huì)富集較高的氫濃度，因而更容易產(chǎn)生氫致斷裂，循環(huán)次數(shù)也就越小。對(duì)小應(yīng)變幅的試樣，氫雖然聚集在晶界上；但是由于氫濃度還沒(méi)達(dá)到脆化晶界的臨界值，因此裂紋的擴(kuò)展還是以韌性破壞機(jī)制占主導(dǎo)。如果氫濃度足夠高，氫在晶界上聚集的濃度超過(guò)脆化晶界的臨界值，這種情形下即使應(yīng)變幅較小，應(yīng)變循環(huán)仍能促使微裂紋沿晶擴(kuò)展，導(dǎo)致沿晶和準(zhǔn)節(jié)理形貌特征為主的脆性斷裂。

3 結(jié)論

①對(duì)30CrMnSiNi2A充氫后，單調(diào)扭轉(zhuǎn)情形下，氫的作用在改變材料抗剪破壞和抗拉破壞的能力的同時(shí)，也改變材料的破壞模式。

②由宏觀測(cè)試結(jié)合掃描電鏡斷口分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫濃度增加到一定程度，試樣從剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔炱茐模瑥捻g性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

③氫的作用顯著降低了材料的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，氫濃度越大的試樣壽命下降越嚴(yán)重。相同充氫的試樣，剪切應(yīng)變幅越大疲勞壽命下降幅度越大。

④對(duì)扭轉(zhuǎn)疲勞斷口分析表明，氫濃度較低且經(jīng)歷小剪切應(yīng)變幅的試樣，疲勞破壞具有剪切韌性破壞特征，經(jīng)歷大剪切應(yīng)變幅的試樣，疲勞破壞具有拉伸脆性破壞特征；而當(dāng)氫濃度較高時(shí)，所有的應(yīng)變幅循環(huán)的扭轉(zhuǎn)疲勞失效都是脆性拉伸破壞。氫作用下試樣扭轉(zhuǎn)疲勞破壞方式的轉(zhuǎn)變不僅與應(yīng)變幅相關(guān)也與氫濃度相關(guān)。