氢对表观屈服强度的影响——氢致滞后塑性变形的原因研究

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1981.02.012 北京钢铁学院学报 1981年第2期 氢对表观屈服强度的影响 -一氢致滞后塑性变形的原因研究 断裂力学组褚武扬幸世琼肖纪美朱淑唐 摘 要 1 应用光滑拉伸试样，弯曲试样以及预裂纹WQL型试样具有对广泛拉伸强度的 多种低碳及低合金钢研究了电解充氧对表观屈服强度的影响，并对氧致滞后塑性变 形进行了金相观察。结果表明：氢对光滑拉伸试样屈服强度的影响不明显。随钢种不 同，.充氢后屈服强度可能没有变化，也可能升高或降低，但其差值小于10%。对存 在应力梯度的无裂纹弯曲试样以及预裂纹WOL试样，当钢的强度和进入的氢量超 过临界值后氢能使表观屈服强度明显降低，从而引起氢致滞后塑性变形，最整导致 氢致滞后裂纹的产生和扩展。随钢的强度升高，进入的氢量增加，氢致表观屈服强 度下降也愈明显。另外，具有更大应力梯度和三向应力的裂纹试样，下降效应比无 裂纹弯曲试样更为明显。氢致表观屈服强度下降作用是扩散控制过程，明显使赖变 形速度和试验温度。另外，它具有可逆性，随着氢的逐薄消除，表观屈服应力也还 渐回到未充氢状态的数值。氢致表观屈服强度下降和原始变形量及是否存在加工硬 化关系不大。根据上述实验事实，本文对屈服强度下降的原因作了探讨。 前 言 我们对抛光的WOL恒位移试样，进行金相跟综观察的结果表明！1，当钢的强度和进入 试样的氢量超过临界值时，氢能产生带后塑性变形，即裂纹前端塑性区的大小及其变形量随 时间而增大。当滞后塑性变形发展到临界值时就会产生氢致裂纹。随后的工作表明，在所有 能提供氢的环境中（如电介充氢，H,气，H,S气体，水溶液，H2S水溶液，含微量水的有 机溶剂等)，滞后裂纹都是通过氢致滞后塑性变形机构进行的23]。氢为什么能产生滞后 塑性变形，这是需要进一步研究的课题。一种推测是在某种条件下氢能明显的降低材料表观 屈服强度，从而在较低的外应力（或K:)作用下就能引起塑性变形，再考虑到氢致表观屈 服强度的降低可能受扩散挖制，这样就可解释氢能导致滞后塑性变形。 长期以来，关于氢对纯铁或钢的屈服强度的影响已进行了大量的研究，但所得到的结果却 是矛盾的。有些实验认为氢使屈服强度下降115】，但也有结果表明氢对屈服强度没有影 响·？或使屈服强度升高18·1。虽然对薄壁筒扭转的实验表明，氢能使屈服点下降约 30%1,但对光滑拉伸试样，氢使屈服强度的变化一般不超过10%。最近木村、用超高 纯铁单晶的实验表明：在临界温度(190°K)以上，氢起软化作用，使屈服强度下降，低于 注：本文1980年8月12日收到 109

北 京 锅 铁 学 院 学 报 一 9 8 1年 第 2 期 氢对表观屈服强度的影响 一 氢 致滞 后 塑性变 形的 原 因研 究 断 裂力学组 褚武扬 李世琼 肖纪典 朱淑忿 摘 要 应 用 光滑 拉 伸试 样 , 弯 曲试 样 以 及 预 裂纹W Q L 型试 样具有对广 泛 拉伸强度的 多种低 碳及 低 合金 钢研 究 了电解充 氧对表观屈 服 强 度 的影响 , 并对 氮 致滞 后 塑性变 形 进行 了金 相观 察 。 结果表明: 氢对光 清拉伸试 样屈 服 强度 的攀响不 明 显 。 随钢种不 同 , 充氢 后屈 服 强 度可 能没有 变化 , 也可 能升 高 或降低 , 但 其 差值 小 于 10 % 。 对 存 在应 力梯度的 无 裂 纹弯 曲 试 样以及预 裂纹W O L 试样 , 当钢的强度和进 入 的氮 t 超 过 临界值后 氢能使表观 屈服 强度明 显降低 , 从 而 引起氢 致 滞后 塑性变形 , 最终导致 氮致滞后 裂纹 的产 生和 扩展 。 随钢的 强度升高 , 进 入 的氮 t 增加 , 氢致表观屈 服 强 度下 降也 愈 明 显 。 另外 , 具有更 大应 力梯度和 三 向应力 的裂纹试 样 , 下 降效 应 比无 裂纹弯 曲试 样 更为明显 。 氢致表观屈 服 强度下 降作 用是 扩散 控制过 程 , 明显伎 赖 变 形 速度和试 验 温 度 。 另外 , 它具有 可逆 性 , 随 肴氮 的还 渐 消除 , 表观屈 服应 力也 还 渐 回 到未 充氢状 态 的数值 。 氢致表观 屈 服 强度下 降和 原始 变形 量及 是 否 存在加 工 硬 化 关系不 大 。 根 据上述 实 验事 实 , 本文 对屈 服 强 度下 降的原 因作了探讨 。 前 、 . 口. . 自 口 我们对抛光的W O L 恒位移 试样 , 进 行 金相跟综 观察的结 果 表 明 【’ 】, 当钢 的 强度 和进 入 试样的宜量超 过临界值 时 , 氢 能产 生滞 后塑 性 变形 , 即裂 纹 前端 塑性区 的大小 及其 变形量随 时 间而增大 。 当滞后 塑 性变 形发展 到临界 值时 就会产生 氢 致裂纹 。 随后 的工 作表 明 , 在所有 能提 供氢 的环境 中 ( 如 电介充氢 , H Z 气 , H : S 气体 , 水溶 液 , H 2 5 水 溶 液 , 含微 量水的 有 机溶剂等) , 滞后裂 纹都是 通 过氢 致滞后 塑 性变 形机 构进 行 的 I恋 l 【“ 〕 。 氢 为什么能 产生 滞后 塑 性变 形 , 这是 需要进 一 步研究的课 题 。 一种 推 测是 在某种 条件下氢 能 明显 的降低材 料 表观 屈服强 度 , 从而 在较低 的外 应 力 ( 或 K : ) 作用 下就 能 引 起 塑性 变形 , 再 考虑 到氢致表 观屈 服强 度的 降 低可能 受扩 散控 制 , 这样就 可解释氢 能导 致滞后 塑 性变 形 。 长 期以 来 , 关 于氢 对纯 铁或钢 的屈服强度的影 响 已进 行 了大 量的研 究 , 但所得 到的 结果 却 是矛盾的 。 有些 实验 认 为氢使 屈服 强度下降 ’ 〔 ` 1 ! 5 ] , 但 也有 结果 表 明 氢 对屈 服 强度没 有影 响 eI ` ? 〕或 使 屈服 强度 升高 ! 8 ` “ l 。 虽 然对 薄 壁 筒扭 转 的实验 表明 , 氢 能 使屈 服 点 下 降约 3 0 % t ` “ 、 , 但对 光滑 拉伸试样 , 氢使屈 服强度 的变化 一般不 超 过 10 % 。 最近 木 村 l ” 』 用 超 高 纯 铁单 晶的实验 表 明 : 在临 界 温 度 ( 1 9 0 “ K ) 以 上 , 氢起软 化作用 , 使 屈 服强 度下 降 , 低于 注. 本文 1 9 8 0年8月1 2 日收到 衷pg DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1981. 02. 012

临界温度，氢起硬化作用。如果杂质含量升高，临界温度也上升。这表明，以往对铁单晶实 验结果的分散性可能和纯度有关。 考虑到顸裂纹试样和光滑拉伸试样不一样，在裂纹前端存在有应力梯度，三向应力以及 塑性变形区。因此，必须研究这些因素对充氢试样表观屈服强度的影响。为此，我们选用了 带有应力梯度的无裂纹弯曲试样和预裂纹WOL试样来研究氢对表观屈服强度的影响。此 外，我们也系统的研究了钢的拉伸强度，进入试样的氢量，变形速度，试验温度以及预先塑 性变形等因素对充氢试样表观屈服强度的影响。 实验过程 所用钢种的成份和性能见表1。拉伸试样是中10的标准拉伸试样。三点弯曲试样除 4)CrMnSiMo和40MnNb是10×20毫米外，其余全部是12×12毫米的试样。在试样底边贴 电阻片，弯曲时同时测P-e(应变)和P~δ（加载点位移）曲线。由两曲线开始偏离直线的 教有P,可算出屆服应力0：一品（跨距S=4W)）。预裂纹试样全部是厚为0毫米的W0L 型试样。在试样表面疲劳裂纹前端贴电阻片，拉伸时同时测量P-ε和P-V(裂纹张开位移) 曲线。对未充氢试样，用P-ε曲线偏离直线点作临界值，充氢后一般P-ε和P-v曲线同时开 始偏离直线（相差小于10%），故也以P-ε曲线偏离直线点作临界点。 表1 试验钢的成份和性能 成 分 Y.S T.S 8 功 钢 种 C Si Mn Cr Ni Mo Nb MPa MPa % % 20 0.180.310.51 0.0300.030 250 400 23.054.5 16Mn 0.180.401.42 0.020 0.020 340 450 21.055.0 40Cr 0.400.210.520.90 0.015 0.020 490 700 18.045.0 5 0.490.170.63- 0.02 0.02 510 760 19.047.0 30 Cr,MoV0.330.480.661.36- 0.660.28 0.0160.014 620 780 26.055.0 40MnNh 0.330.480.661.36- 0.60.28- 0.0160.014 620 780 26.055.0 32 SiMnMoV0.3l.581.81-- 0.420.29一0.006 0.01 720 850 22.558.2 0.29j1.111.051.071.57- 0,0050.028 1120 135015.352.5 30CrMn 1180 1440 14.651.0 SiNiz 1210 1620 13.750.5 1470 1760 11.948.2 40CrMn SiMo 0.391.27.0.911.25-0.50.01-0.0090.01 1620 196010.536.5 110

临界温度 , 氢起硬 化作用 。 如 果 杂质 含量升高 , 临 界温度也 上升 。 这 表 明 , 以 往对 铁单 晶实 验 结果 的分散性可能和纯 度有关 。 考虑 到预 裂纹 试样和 光滑拉伸试 样不 一样 , 在 裂纹前端存在 有应力梯度 , 三 向应 力以 及 塑 性 变形 区 。 因此 , 必须 研 究这些 因 素对 充氢试样表观屈 服强度的 影响 。 为此 , 我们 选用 了 带 有应力梯 度 的无 裂纹 弯曲试 样和预 裂纹 W O L 试样来研 究 氢对表 观 屈服 强度 的影 响 。 此 外 , 我们 也系统 的研 究 了钢 的拉伸强 度 , 进入 试样的氢 量 , 变形速 度 , 试 验温度以 及预先塑 性变形等因素对充氢试 样表 观屈服 强 度的影 响 。 实 验过 程 所用 钢种 的成 份 和性 能 见 表 1 。 拉伸试 样是 小10 的标准 拉伸试 样 。 三 点 弯 曲试样除 4 , C r M n s i M o 和 4 o M n N b是 l o x 2 0毫米外 , 其余全 部是 1 2 x l Z毫米的试样 。 在试样底边 贴 电阻 片 , 弯曲时同 时测 P 一。 (应 变 ) 和 P一 各 (加 载点位 移 ) 曲线 。 由两 曲线 开始偏 离直线 的 载荷 P s 可 算出屈 服应 力。 : = 6 P : B W ( 跨 距 S = 4 W ) 。 预裂 纹试样全 部是厚 为匆毫米的W O L 型 试样 。 在 试样表面 疲劳 裂纹前端贴 电阻片 , 拉 伸时同 时测 量 P 一。 和 P 一V ( 裂纹 张开 位移 ) 曲线 。 对来充氢 试样 , 用 P一。 曲线偏 离直 线点作临 界 值 , 充氢 后一 般 P 一 。 和 P 一 v 曲线 同 时开 始 偏 离直线 ( 相 差小于 10 % ) , 故 也 以 P 一 。 曲线偏 离直线 点作 临界 点 。 表 1 试验钢 的成份和 但屯能 一 ! 成 分 } Y . 5 } T . 5 { 、 …冲 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ · 只 _ _ !一 ` {少 } _ 三仁!下二!竺{上1竺l - _ 三_ 上 _ 里_ ,立兰 !二二兰{二 { 。 . 1 8 ,。 . 3 1… 。 . 5 1 1 一 … 一 … 一 }一 … 一 { 0 . 0 3 0 1 0 . 0 3 0 1 2。。 { ; 。。 { 2 3 . 。 ; 。 4 . 5 , 6 M · } 。 . 1 8 { 。 . 4。 ! 1 . 4 2 1一 … 一 { 一 { 一 } 一 … 。 · 。 2 0 1 。 · 。 2。 { 3 4。 { 、 6 0 1 2 1 · 。 } 5 5 · ” 4 o e r { 。 . 4。 } 。 . 2 1 0 . 5 2`。 . 。。 1 - 一 } 一 } 一 } 。 . 0 1 5 1 0 . 0 2。 } 4 ` 。 } ,。。 1 1 8 . 。 } 4 5 . 。 」 5 ! 。 . 4。 { 。 . 1 7`。 . 6 3… 一 1 一 …- 一 {一 … 0 . 0 2 … 。 . 0 2 … 5 1。 { 7`。 { 1 0 . 。 ! ; 7 . 。 一- _ 一 ~ ~ ~ _ ~ _ — ~ 一 — 一 一 — 一 一~ — 一 ~ — ~ 一 _ 一 一 — — 一 ~ ~ ~ — ~ ~ _ 一一 — ~ 一一 一一 一 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 3 o e · : M O v { 。 . 3 3… 。 . 4 8… 。 . 6 6 1 1 . 3 6 { 一 … 。 . 6 6 . 0 . 2 8 1 一 … 。 . 0 1 6 { 。 . 0 1 4 ` 6 2。 { 7 8 0 1 2 6 . 。 } 5 5 . 。 4o M · N } ) 画{ 石 一 几反} 云石反丽巨而吓!丁 一 石丁而阿…百存…丽}不不…痴而{ 牙 Zs i M · M ( ) v } 。 . 3: { t一 5 8 { 1 . 8 1 { 一 { 一 ! 。 . ; 2 { 。 . 2 9 { 一 「 。 . 。。 6 { 。 . 0 1 {万2 0 { 8。。 { 2 2 . 5 !而几 -一一10 . 29卜 . 1 1卜 . 可价币 一 卜 …: 一 阿词丽{ 1 1 2。 巨 3 5。 卜 5 · 下弓 … 。 ! ! 1 1 8 0 1 4 4 0 1 4 . 6 5 1 . 0 ! l } l … { l 一 1 2 10 1 6 2 0 1 3 . 7 5 0 . 三 } { } } } 17 6 0 1 1 . 9 4 8 . 二 } 0 . 3 9 一 1 . 2 5 一 { 0 . 5 0 . 0 1 0 . 。。。 { 0 . 。 1 1 . 2 7 . 0 . 9 1 1 10

对弯曲和预裂纹试样，选用8-9种充氢工.艺。如用H2SO,配制PH值分别为4.0,3.0， 2.0,0.1(1NH2SO,)的溶液，试样浸泡13小时，另外几种充氢工艺是在1NH,SO,溶 液（有时加0.1毫升/升CS2)中电解充氢，电流密度分别为0.2,2,5,20,50,80毫安/厘米2。 对三点弯曲试样，充氢时间为6小时。WOL试样充氢13小时（充氢？小时后间隔12小时，再 充6小时)，拉伸试样全部在1 N H2SO,中充氢6-8小时（电流密度40-60毫安/厘米2）。 横梁位移速度是1毫米/分（快加载)或0.01毫米/分（慢加载），试验温度约20℃。研 究形变速度和试验温度对表观屈服强度的影响时选用WOL试样，横梁位移速度为2,1， 0.15,0.07或0.01毫米/分，试验温度是15℃，-10℃，-30℃，-50℃，-70℃，-90℃， 和-110℃。 实验结果 1.光滑拉伸试样 不同钢种充氢前后o。.2（o或s)的比省见图1.20钢(T.S=400MPa)充氢后屈服强 度下降，但差值小于]0%。而且充氢后屈服点消失，如进行去氢处理，则屈服点往往能重 现，而月屈服点又回复到原来的值。 对40Cr和32 SiMnMoV钢，充氢前 后屈服强度改变不明显。但对30C MnSiNia和45钢来说，充氢后屈服 强度略有提高，但也不超过5-10%。 002 看来氢对光滑拉伸试样屈服强度的影 1,0 响是和钢种有关的，但可以说氢对屈 0,9 屈服强度的影响是不明显的（差值小 0.b 于10%)。 07 Steel ,9 应当指出，对T.S≥1700MPa 0.6 30CrMnSiM2 1620 的超高强度钢，在电解充氢过程中很 0. 32S1MnMoV 850 4号 750 容易出现以氢压机构形成的微裂 04 40Cr 700 纹【1，因此，在随后拉伸时很容易 0.3 20 400g 0.2 发生低应力脆断，测不出屈服强度， 0.t 断裂应力也明显低于未充氢试样的屈 服强度。 500 7000.2 2.三点弯曲试样 MPa 不同钢种充氢前后表观屈服强度 图1不同钢种光滑拉伸试样充氢前后的 相对屈服强度0。.2g。,2(充氢电流密度i= 随充氢条件的变化见图？，由图可知， 40-80毫安/厘米2，时间6~8小时)。 对T.S≤800MPa的三种钢(40Mn Nb、16Mn、20),即使严重充氢(i=50-80毫安/厘米2)，屈服强度也没有明显变化 (相差<10%)，但对超高强度钢(30 CrMnSiNi2,40 CrMnSiMo),充氢后屈服强 度。。◆/o。随充氢电流密度升高而迅速下降。严重充氢时可使os降低一倍。 图3表明，对超高强0 CrMnSiNi2钢(T.S=1620MPa,i=20毫安/厘米2)，如充 气后按正常速度加载，则σ：并不降低（曲线2)，如重新缓慢加载，则屈服强度明显下降 111

对弯曲和预裂 纹试 样 , 选 用 8一 9种充氢工 艺 。 如 用 H 2 5 0 ; 配 制 P H 值分 别为4 . 。 , 3 . 0, 2 . 0 , 0 . 1 ( I N H : 5 0 ` ) 的 溶液 , 试样 浸 泡 1 3 小时 , 另外 几种充氢 工 艺是在 I N H : 5 0 ` 溶 液 (有时加 0 . 1毫 升 /升 C S Z ) 中 电解充 氢 , 电流 密度 分别 为0 . 2 , 2 , 5 , 20 , 50 , 80 毫安 / 屋米 : 。 对三 点弯 曲试样 , 充氢 时 间为6 小 时 。 W O L 试 样充 氢 1 3小时 ( 充 氢 7小 时后 间 隔1 2小时 , 再 充6小时 ) , 拉伸 试样全 部在 I N H Z S O ` 中充氢 6一 8小 时 ( 电流 密度 4。一 8 0毫安 /厘 米 2 ) 。 横梁位 移速 度是 1毫 米 /分 ( 快 加载 ) 或 0 . 01 毫 米 /分 ( 慢加载 ) , 试验 温度 约 2 0 ℃ 。 研 究形变速度 和 试验 温 度对 表 观 屈服 强 度 的影 响时 选 用W O L 试 样 , 横梁位 移 速度为2 , 1 , 0 . 1 5 , 0 . 0 7或 0 . 0 1毫米 /分 , 试 验 2枝 度是 15 ℃ , 一 ] o ℃ , 一 3 0 艺 , 一 50 ℃ , 一 7 0 ℃ , 一 9 0 ℃ , 和 一 1 10 ℃ 。 实验 结果 1 . 光 滑拉 伸试样 不 同钢种 充氢前后 a 。 . 2 ( a 或 s ) 的 比 直见 图 l 。 20 钢 ( r . s 二 4 0 M P a ) 充氢 后 屈 服 强 度下 降 , 但差 值小 于 0] % 。 而 且充 氢后 屈 服 点消失 , 如 进行 去氢 处理 , 则 屈 服点往往 能重 现 , 而且 屈服 点又 回复到原 来 的值 。 几 : Oa 士 一 8 1 6 2 0 . 竺.a0.,09.76 二,O0 ’..0,.20 . .01 对 4 0皿 r和 3 2 5 i M n M o V钢 , 充氢前 后 屈服 强度 改 变 不 明显 。 但 对 30 C r M n s i N i : 和 4 5钢色来 说 , 充 氢后屈服 强度略有提高 , 但 也不超 过 5一 10 % 。 看 来氢对 光滑 拉伸试样 屈 服强 度的影 响 是和 钢种 有关的 , 但可 以 说氢对 屈 屈服强 度的影 响 是不明显 的 ( 差 值小 于 1 0 % ) 。 应 当 指 出 , 对 T . S > 17 0 0 M P a 的妞高强度钢 , 在 电解充氢 过 程 中很 容易 出现 以氢 压 机 构 形 成的 微 裂 纹 t注 l , 因 此 , 在 随后 拉 伸时 很容 易 发生 低应力脆断 , 测不 出屈 服 强度 , 断裂 应 力也 明显 低 于未充氢 试 样 的屈 服 强度 。 2 . 三 点有曲 试样 不 同钢 种充 氢 前后 表观屈 服 弧度 随充氢 条 件的变化 见 图 2 , 由图可 知 , 对 T . S 三8 0 0 M P a 的 三 种 钢 ( 4 0 M n S t e . 1 , 呱川n s l暇 2 , 2 5 1妞心 o V 4 , 4 0 Cr 2 O 扩 0 。 2 扭 P. 图 1 不 同钢种 光 滑拉 伸试 样 充氢 前 后 的 相对 屈服 强 度 a 。 . : / a 。 . : ( 充 氢 电流 密度 i 二 4 0一8 0 毫安 / 厘 米 2 , 时 间6 ~ 8 小 时 ) 。 N b 、 16 M n 、 20 ) , 即 使 严 贡 充氢 ( i = 50 一 80 毫安 /厘 米 , ) , 屈 服 强 度 也没 有 明 显 变化 ( 相差 < 1 0 % ) , 但对 超 高 强 度 钢 ( 3 0 C r M n s i N i : , 4 0 C r M n s i M o ) , 充氢 后屈 服强 度a : ./ a , 随 充氢 电流 密度 升高而迅 速下降 。 严重 充氢 时 可使 a : 降低 一倍 。 图 3 表明 , 对超 高 强 3 0 C r M n s i N i Z 钢 ( T . S = 16 2 0 M P a , i = 2 0毫安 /厘 米 2 ) , 如 充 氛后按正 常 速度加载 , 则。 s 并不 降低 ( 曲线 2 ) , 如重 新缓 慢加载 , 则屈服 强 度明显下降 11 1

P 1.0 0000 0,9 0.8 0,7 20000 0. 0.5 0.4 3t091 ,8 4 Crn91● 1%0 0.3 30c9142 1620 10000 40a3 800 0.2 16 430 4 20 4009 No Condition 1beforo oharging t.0 2 fast londed after cbarging elow loaded afte?charging 0 t寸20T0.110.101010.1 4 slow londed after charging 1(/o)t00000213205080 :国2无裂纹弯曲试样充氢前后的表 图3无裂纹弯曲试样在不同试验条件 观屈服强度口，◆/σs随强度及 下的P-e曲线(30 CrMnSiNi2 充氢条件的变化 钢T.S=1620MPa) 曲线3)。试样的另一半去氢处理后(280℃，24小时)缓慢加载，则屈服强度又回到未充氢 前的值（曲线4）。这就表明。氢使屈服应力下降的效应是由氢的扩散过程所控制的，而且 是可逆的。 为了研究预先存在的塑性区对氢致屈服应力下降的影响，对三点弯曲试样，加预载荷 0/σ：=0,1.3,1.9◆，然后在相同条件下充氢。结果表明，充氢后的屈服强度并不受预载荷 的影响（图4）。因为当σ/a。=1.3时试样已明显弯曲，在最大载荷处已有明显的塑性变形。 随后的实验也表明，如充氢后过载（快速或慢速）到σ=2σs,然后再缓慢加载，其σ，◆和不 过载测出的相同。这些结果表明，最大应力处预先是否存在塑性区对氢致表观屈服强度的影 响不大。 3.预裂纹试样 对于预裂纹试样，裂纹前端应力场为12： .cosg(1年i血号n&0) 0x=-7 0 Gy v 2V (1) Txy=K/2xr sin-sin coB-2 0 实验表明·2，对超高强度钢，刚加载的塑性区以及随后的氢致滞后塑性区和裂纹成 45°（图5），通过坐标交换可获得沿该方向的分切应力为： “对弯曲试样拉伸边的局部应力可远大于用光滑拉伸试样测出的断裂应力 112

全 一 一 一 飞 一 二 一 } I ” B : . 1 _ l 对 一 一 一一 。一 I 、 。 0 0 0【 一。 一, 一一 一 寿卜.0 刁以叶犷卜 月省尸` : 0 0 。 2 , . 0 0 3 t二1 4汉油 曲止 盏翻比 , 0C 公. 。 “ 气 4口臼 肠 ,翻 . 2 0 公二 ,肠. 跳 ,倪 0 . . 0 0 口 4 , 0 二 4 0 0 0 , OO QO .’.0.505 / 一 司 }/ / / 。 。 , 址一一止— Z - . 0 , 一 1一 1 0曰 一d 公 t 一户 e h 一 r月I n g : (以 z 。 沪 ) : o 图 2 2 0 一 , o 一 , ` . , o 一 , o 一 , o 一 , 0 0 0 一 2 1 , 2 0 , o 5 1 0一 1 0 目一d 公 t e r c卜一 r 目生 . t 无 裂纹 弯曲试样充氢前后 的表 观 屈服 强度 a : . / a : 随 强 度及 充 氮条 件的变化 图3 无 裂纹 弯曲试 样在不 同试验 条件 下 的 P 一 。 曲线 ( 3 0 C r M n s i N i : 钢 T . 5 = 1 6 2 0 M P a ) 曲线 3) 。 试 样 的 另一 半去氢处 理后 ( 2 8 0 ℃ , 24 小时 ) 缓 慢加 载 , 则屈服 强度又 回到未充氢 前 的值 ( 曲线 4) 。 这 就 表 明 。 氢使 屈服 应力 下 降 的效 应是 由氢 的扩 散过程所控 制的 , 而且 是 可逆 的 。 为了研究预 先存 在 的塑 性区对氢 致 屈服应力下 降的 影 响 , 对三 点 弯 曲试祥 , 加预 载荷 a / a : 二 o , .1 3 , 1 . .9 , 然后在 相 同条件下充氢 。 结果 表 明 , 充氢 后 的屈服 强 度并不受 预载荷 的影 响 ( 图 4) 。 因为当 a / a 。 二 1 . 3 时试样 已明显弯 曲 , 在最 大载 荷 处 已 有明 显的 塑性变形 。 随后 的实验 也表 明 , 如充 氢后 过 载 ( 快 速或 慢速 ) 到 a = Z a s , 然后 再 缓慢加 载 , 其 u : . 和不 过 载测 出的 相同 。 这 些结果 表 明 , 最 大应力处预 先是否存在 塑 性区对氢致表观屈 服强度的影 响不大 。 3 一 预 裂故试样 对 于 预裂纹 试样 , 裂 纹前 端应 力场 为 〔 ’ “ 1 : 知 〔 1 、 ia n 借 一 ia n 八”二自, 珍 · 一 一物 侧 一一 (T x o 丫 ( 1 ) _ _ _ _ 0 3 0 0 丫 : y = 八 l/ 斌 艺 北 r is n - 不万 is n o e 。 日 一 。 乙 “ 实验 表 明 ! “ 2 ] , 对 超 高 强度钢 , 刚加载 的塑性 区 以 及 随 后 的 氢 致滞 后塑 性区 和 裂纹 成 4 5 “ ( 图5) , 通过 坐标交换可 获得 沿 该方 向的分 切应 力为 : 对弯 曲试样 拉伸边 的局部应 力可远 大于 用光 滑拉伸试 样测 出的断裂应力 4 12

.0 0,9 0.7 0.6 0. 04 charging condition i(mA/cm)tise(hr.) 80 6 0. 20 64 6 0.2 20 0 6 a PH-2 6 1,0 2.0 6/6s 图4无裂纹弯曲试样在不同条件下充 图5超高强度钢裂纹前端氧 氢后的相对屈服应力σs/可，和 致滞后塑性变形和氢致 预应力口/σs的关系。 裂纹的关系 (30CrMnSiNi,T,S=1620MPa>-(30CrMnSiNi2,T.S=1620MPa) t=号(o,-0x)in29+tvo020=0.328√2t (2) 我们认为，当裂纹前端足够大的距离内（「一定），t都等于材料的表观屈服强度时氢致滞 后塑性变形就将发生而且P-e和P-V曲线将偏距直线（图6）。对WOL型试样 K:-B/WF(W) (3) 因此产生滞后塑性变形的表观屈服应力就和P-ε曲线偏离直线处的临界载荷P:成比例，即 0,328,F(W)。 2xre‘BVWP: Tc=- (4) 对未充氢的试样，当P-ε曲线偏离直线时，在抛光的试样表面上也可看到裂纹前端存在塑性 ,区，因此，P-ε曲线转折点的载荷就和试样表面（平面应力条件）塑性变形开始的表观屈服 来，应力：成比例。因此同一试样充氢前后观现屈服应力之比为： F(-W)Pe "a◆ T/Tc=--- (5) F(0)P 对30 CrMnSiNi2A钢(T.S=l6.20.MPa),在不同充氢条件下P-e和P-V的曲线示意如 113

加 , ·叶 牙 一 - 名- 十- -一 共 . . ~ - ~ 一一 · · 一 一明尸 . . - . . - 民 _ . 民 -一一一 - 1 O 。 2 O 一 , c梦今 r 誉毛 . 9 2泛 o n 人 ` 用几 I 〔 口 少 呼毛 已0 2 0 , 2 O O P H . 2 1` 1 0 . 1血 (匕r . ) 6 . “6 . , 况 6 自 6 . ’.0.0.0 目J 4 户, … 0 , · o 即` : 2 · o 图 4 无 裂纹弯 曲试 样在不 同条件下 充 氢 后 的相对屈服 应 力 a : . / G : 和 预 应 力 。 / a : 的关系 。 ( 3 0 C r M n s i N i : , T . S 二 1 6 2 e M P a ) 图 5 超 高强度钢裂纹 前端氮 致滞后 塑性变形 和氮致 裂纹 的关 系 ( 30 C r M n s i N i : , T . S 二 1 6 2 0 M P a ) : = 一 冬( 。 , 一 。 : ) ` n Z。 + : : , , 2。 = 。 . 3 28 : 廷 ; 二 一 ` ` V 乙 兀 f ( 2 ) 我们认为 , 当裂纹前端足够大的距 离内 ( r 一 定 ) , T 都等于 材料的 表观 屈 服强度时氢致滞 后塑 性变形就 将发生而且 P一。 和 P一 V 曲线 将偏 距 直线 ( 图 6) 。 对 W O L 型试 样 P _ _ a 人 : = f r ~ , 二 百若奋= 厂 ( 一石 ; - O V 、 V 一 V V ( 3 ) 因此产 生滞后塑 性变形的表观屈服 应力就和 P一。 曲线偏 离直线 处的临界载荷 P 。 成 比例 , 即 0 , 3 2 8 7 万蕊子丁 ( 4 ) · 一F ` 、J w B 记下丙 一 扮终几 对未充氢 的试样 , 当 P一。 曲线偏 离直线 时 , 在抛光的试样表面 上 也可看 到裂纹 前端存在塑 性 区 , 因此 , P一。 曲 线 转 拆点的载 荷就和试 样表面 ( 平 面应 力条件 ) 塑 性变形开 始的 表 观屈服 诫力 : 成比 例 。 因 此 同一试 样充氢 前后 观屈 服应 力之 比 为 : F ( - : t / : 。 = 云厂 ) P V y ( 5 ) ) P 。 F ( 4 ~ 、 对 3 0 C r M n 5 i N i Z A 钢 ( T . S = 1 6 . 2 o . M P a ) , 在 不 同充氢 条件下 P一。 和 P 一 V 的 曲线示 意如 1 1 3