不锈钢Ⅲ型试样的氢致开裂和应力腐蚀

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.02.011 北京钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing University No.2 第2期 of Iron and Steel Technology June 1986 不锈钢亚型试样的氢致开裂和应力腐蚀 乔利杰褚武扬肖纪美 (金属物理教研室) 摘要 研究了奥氏体不锈钢Ⅲ型试样的氢致开裂和应力腐蚀。结果表明，动态充氢时Ⅲ型试样 也能发生氢致沸后断裂，且裂纹沿原缺口平面形核和扩展。从而可获得宏观平滑的扭转断口， 但断口上存在少量沿45”面的二次裂纹，一系列实验表明动态充氢能促进奥氏体不锈钢室温 蠕变，故在但扭矩下充氢能使扭转角不断增大，直至试样被断。奥氏体不锈钢Ⅲ型试样在 42%沸腾MgC1:溶液中也能发生应力腐蚀开裂，且裂纹在与缺口平面成45”的平面上形核和扩腰。 实验表明，无论是工型还是Ⅲ型，应力病蚀的门槛值均比氢致滞后断裂门槛值要低，例如 Ktscc/K:x=0.18,KIH/K1x-0.58,KEscc/Kx=0.13 KH/Kx-0.62. 关键词：应力腐蚀开裂 氢致开裂 奥氏体不锈钢 血型试样 Hydrogen Induced Cracking and Stress Corrosion Cracking of Austenitic Stainless Steel under Mode I Loading Qiao Lijie,Chu Wuyangy Xiao Jimei Abstract Hydrogen induced cracking(HIC of austenitic stainless steel under Mode III loading could occur during dynamic charging of hydrogen and the threshold stress intensity was K/K1x=0.62.The torsional angle, i.e.,the torsional plastic deformation,enlarged continuously during dynamic charging under a constant torque,which corresponded with increa- sing the external torque continuously,until the specimen was twisted to 1985-04-01收稿。 113

年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 ，口口 不锈钢 型试样的氢致开裂和应力腐蚀 乔利杰 褚武扬 肖纪美 金属物理教研室 摘 要 贾玲 研究 了奥氏体不锈钢 型试样的氢致开裂和应力腐蚀 结果表 明 ， 动态充氢时 型试样 也能发生氢致滞后断裂 ， 且裂纹沿原缺 口 平面形核和扩展 从而可获得宏观平滑的扭转断 口 ， 但断 口 上存在少量沿 ’ 面的二次裂纹 ， 一系列实验表 明动态充氢能促进奥氏体不诱钢室 温 蠕 变 ， 故在恒扭矩下充氢能使扭转角不断增大 ， 直至试样被扭断 。 奥氏体不锈钢皿型试样 在 妇多沸腾 ‘ 溶液中也能发生应力腐蚀开裂 ， 且裂纹在与缺口 平面成拈 的平面上形核和扩展 实验表明 ， 无论是 工型还是 型 ， 应力腐蚀的门槛值均比氢致滞后断裂门槛值要 低 ， 例 如 胶 一 一 台， ， ， 皿 。 皿 皿 “ ， 一 关锐词 应 力腐蚀开裂 氢致开裂 奥氏体不锈钢 址 型试样 曰网卿 ， ， 己 ，、 。 电卜 · · ， ， ， 一 ， 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．02．011

failure,In the flat fracture surface of the delayed failure,however, there wera some secondary cracks propagating along the planes inclined at45°. Stress corrosion cracking of austenitic stainless steel in a boiling MgCl2 so lution could occur under Mode III loading and the threshold value was Ksscc/Kux=0.13.The cracks,however,initiate and propagate along the planes inclined at 45 instead of the original notched plane,where there is no shear stress but the maximum normal stress. Key words:streas corrosion cracking;bydrogen induced cracking;Austenitic staialess stoel; 四0den证sP6ci位00， 前 言 一般认为，只有存在三向应力σ才能引起氢富集从而导致滞后开裂，故对于不存 在三向应力的Ⅲ型试样（如圆柱缺口扭转试样)，将不会产生氢致滞后开裂1-3)。但我 们的工作表明，超高强度钢Ⅲ型试样也能产生氢致滞后开裂，且裂纹沿45°面形核和 扩展〔4)。即使对于无预裂纹扭转试样，充氢后也能沿45°面上产生氢致滞后裂纹(5)。 由于氢在体心立方金属中的应变场是非球对称的〔6)，故能与扭转应力场发生相互作用， 而且其作用能在45°面上有极小值c5.7)。因此，在恒扭矩作用下氢将向Ⅲ型试样的45° 面富集，从而导致裂纹沿45°面形核和扩展。 和体心立方金属不同，氢在面心立方的奥氏体不锈钢中将处在八面你间隙位置，这 时氢的应变场有可能是球对称的。若如此，则它和剪应力场不会发生相互作用，因而氢 也不会富集。这就是说奥氏体不锈钢Ⅲ型试样可能不会产生氢致开裂。但试探性的实验 却表明，不锈钢Ⅲ型试样动态充氢时也能产生氢致带后断裂。这表明，很可能在面心立 方晶体中氢的应变场也是非球对称的，若如此，则奥氏体不锈钢Ⅲ型试样的氢致开裂就 和超高强钢完全类似，但也有可能两者的机理不相同，这正是我们需要研究的第一个问 题。 最近的工作表明(8)，超高强度钢Ⅲ型试样在水介质中也能产生应力腐蚀，而且裂 纹也沿45°面形核和扩展，且获得沿晶断口，这些都和动态充氢相同。另外，如加疏 尿，则可使Ⅲ型应力腐蚀的门槛值KⅢscC下降（同时也使K Iscc下降），动态充氢则可 使其门槛值KmH进一步下降。对I,Ⅲ型试样的测试表明：Kmscc/Kmx:K Iscc/ KIx=KmH/KⅢx:KI/K1x=3.8c8)。综合上述结果可以看出，Ⅲ型试样在水介质 中的应力腐蚀本质上是一种氢致开裂，这和】型试样获得的结论〔911完全一致。对于 奥氏体不锈钢，Ⅲ型试样能否产生应力腐蚀，这是个尚未被研究的问题。我们相信，通 过对奥氏体不锈钢Ⅲ型试样应力腐蚀和氢致开裂的对比研究，以及对I型和Ⅲ型的对比 研究就能更深入地了解奥氏体不锈钢应力腐蚀的机理，而这一点正是长期争议而还没有 114

， 甲 ， 。 。 多 二 。 。 。 二 ， ， “ 讨 ， 。 一 一。 。 ， 、 ， 一 协 亡 二 。 前 月州口目曰口 国 二 一般认为 ， 只有存 在 三向应力仔 才能 引起氢富集从而导 致滞后开裂 ， 故对 于 不 存 在 三 向应力的 址 型试样 如 圆柱缺 口 扭转试样 ， 将不 会 产生氢致滞后开裂 〔卜 〕 。 但我 们的 工作表明 ， 超 高强 度钢 血型试 样也能产生氢致滞后开裂 ， 且裂纹沿 。 面 形 核 和 扩展 〔 通〕 。 即 使对于无预裂纹扭转试样 ， 充氢 后也能沿 “ 面上 产生 氢致滞 后 裂 纹 〔 “ ，。 由于氢 在体心立 方金属 中的 应变场 是非 球对 称 的〔“ ’ ， 故能与 扭 转应 力场 发生 相互作用 ， 而 且其作用 能在 ” 面上有 极小值 〕 。 因此 ， 在恒扭矩 作用 下氢将 向 型试 样的 ” 面富集 ， 从而导 致裂 纹沿 “ 面形核和扩展 。 和 体心立 方金 属不 同 ， 氢在面心立 方的 奥氏体不锈钢 中将处在 八面 体 间隙位置 ， 这 时氢 的应变场有可能 是球对称 的 。 若如此 ， 则它 和剪 应力场不会 发生 相互 作用 ， 因而氢 也不 会 富集 。 这就是说奥 氏体不锈钢 型试样可能不 会 产生氢致开裂 。 但试探性的实 验 却表 明 ， 不锈钢 型试样动态充氢时也 能 产生氢 致滞 后断裂 。 这表明 ， 很可能在面心立 方 晶体 中氢 的应 变场 也 是非球对称 的 ， 若如此 ， 则 奥 氏体不锈钢 型试样的氢致开裂就 和超高强钢 完全 类似 ， 但也有可能两者 的机理不 相 同 ， 这正是我们需要研究 的第一个 问 题 。 最近 的工作表 明即 ， 超高强度钢 型试样在水介 质 中也能 产生 应力腐 蚀 ， 而 且 裂 纹也沿 。 面 形核和扩展 ， 且获得沿 晶断 口 ， 这 些 都和动 态充氢相 同 。 另 外 ， 如 加 硫 尿 ， 则 可使 型应力腐蚀 的门槛值 下降 同时也 使 工 下降 ， 动 态充氢则 可 使其门槛值 皿 进一步 下降 。 对 ， 型试 样 的 侧 试 表 明 工 工 工 二 〔 “ 〕 。 综 合上述结果 可以看 出 ， 皿 型试样在水 介 质 中的应力腐蚀 本质上是一 种氢致开裂 ， 这和 型试样获得的结论 〔 一 完 全一致 。 对于 奥 氏体不锈钢 ， 型试 样能否产生 应力腐蚀 ， 这是 个 尚未被研究 的 问题 。 我 们相 信 ， 通 过对奥 氏体不锈钢 型试 样应力腐蚀和氢致 开裂 的对比研究 ， 以及对 型和 型的对 比 研究就能 更深入地 了解奥 氏体不锈钢应力腐蚀 的机理 ， 而 这一 点正 是 长期争议而还 没有

解决的问题(12-13)。 1实验过程 用1Cr18Ni9奥氏体不锈钢加工成外径D-16mm,截面直径d=10mm圆柱缺口试 样。缺口张角为30°，缺口顶端的卒半径p=0.1mm。该试样如加扭转载荷，则成Ⅲ型 试样，如加拉伸载荷，则成I型试样。全部试样在氩气中经溶处理(1050℃，20) 后水淬。 自制的恒扭矩试验机如图1所示，砝码通 过磨擦力很小的圆盘给试样加载。式样上粘贴 特殊的45°电阻应变片，就可测出加载过程中 扭愆(M)的变化，在缺口上下用螺钉固定刀 口，装上夹式引伸计就可测量扭转角(9)的 变化。这样，在加载过程中就可测出M-日曲 线，如知保行钮矩M恒定，则又可测量加载后 (充氢或不充氢)扭转角随时间的变化曲线， 即室温蠕变曲线。 Ⅲ型试样缺口前端的应力场强度因子用下 式计算〔8)，即 图1应力腐蚀扭转试验机 Km=16MF(d/D)/d√2πd(1) Fig.1 Schematic of torsional loading device F(dD)=8(1-8+2()+8(8)}°+品aD)°+(aD +0.208(d/D)5] 圆柱缺口【型试样的应力场强度因子为 KI=- （1.72D/d-1.27) (2) VD 电解充氢采用1NH2SO4+250mg/1As2O3溶液，电流密度为5×103A/m2,应力 腐蚀介质是42%的MgC12沸腾溶液。 为了比较，也研究了低碳钢和工业纯铁Ⅲ型缺口试样在动态充氢时的氢致滞后断裂 行为。另外，也研究了黄铜Ⅲ型试样在4 NNHOH+3gCuC1:/I溶液（室温）中的应力腐 蚀。 2实验结果 2·1Ⅲ型试样的氢致滞后断裂 巡型试样如在恒扭炬下充氢，则能产生氢致滞后断裂。滞后断裂时间随归一化应力 场强度因子KⅢ/Kmx的变化如图2所示。把Ⅲ型试样在空气中直接加载到断裂，用断 115

解决的问题〔 一 〕 。 实 验 过 程 用 奥 氏体不 锈钢 加 工 成外径 ， 截面 直径 圆柱 缺 口 试 样 。 缺 口 张角为 “ ， 缺 口 顶端 曲率半径 二 。 该试 样如加 扭转载荷 ， 则 成 型 试样 ， 如加 拉 伸载荷 ， 则 成 型试 样 。 全部试样在氢 气 中经 固溶 处 理 ℃， 后水淬 。 白制 的恒 扭矩试 验机如 图 所示 ， 祛码 通 过磨擦力很小的 圆盘给试样加载 。 试 样上粘 贴 特殊 的 ” 电阻应 变片 ， 就 可测 出加载 过程 中 扭矩 的变化 ， 在缺 口 上下用 螺钉 固定刀 口 ， 装上 夹 式引伸计就可测显 扭 转角 的 变化 。 这 样 ， 在加载过程 中就可测 出 一 曲 线 ， 如 保扮 扭矩 恒定 ， 则 又 可测 量 加 载 后 充氢或不 充氢 扭转角随时 间的变化 曲线 ， 即室温蠕 变 曲线 。 型试 样缺 口 前 端的应力场强 度因子用 下 式计算〔 〕 ， 即 班 二 训石两一 卞下若荞牵淤 布 饰 斤 图 应力腐蚀扭转试验机 五 令卜 告 ’ ‘ 〔 卜 含告 音号 ’ 矗 · 圆 柱缺 口 。 。 。 〕 型试 样的应力场强 度 因子 为 了 万 一 盖 ‘ 电解充氢采用 。 溶液 ， 电流密度 为 ” “ ， 应力 腐蚀 介质是 的 沸腾溶液 。 为 了比较 ， 也研究 了低碳钢 和工业纯铁 班 型缺 口试样在动 态充氢时 的氢致滞 后断裂 行 为 。 另外 ， 也研 究 了黄铜 型试 样在 、 十 溶液 室温 中的应力腐 蚀 。 实 验 结 果 · 型试 样 的 氢致滞后 断裂 班 型试 样如在恒扭矩 下充氢 ， 则能 产生氢致滞 后断裂 。 滞 后断裂时 间随 归一 化 应力 场强度 因子 的变化如 图 所示 。 把 型试 样在空 气 中直接加 载到 断 裂 ， 用 断

裂扭矩代入(1)式就可类Kmx。三个试样的测量值分别为43.26,43.36,43.41， MPa√m,其平均值为43.34MPa,由图2就可获得孤型试样氢致滞后断裂的门槛值 KH 即 K面=号(K+K面8) 其中KⅢg是规定时间内不发生滞后断裂的最大应力场强度因子，K皿：是能发生滞后断裂 的最小值，实测的结果为KⅢ/Kmx=0.62。 @Chargisg,州cdeI @Chargiog,Node ●sCC,hdt是 Oscc,Node I 0.8 ModeI.Charging 9 6 0.6 皇二 Mode I,Charging 0. Mode I,SCC 0 Mode scc tr,h 图21C18Ni9钢Ⅲ型.I型试样在1NHzS0,溶液中动态充氢和在MgCl,溶液中应力腐蚀时断 裂时间tr随Kr/K虹x.Ki/KIx的变化 Figuro 2.Kg/Kax under Mode MI loading and Ki/K:x under Mode I loading vs time-to-failure of HIC during dynamic charging. 实验表明，即使加载至KⅢ/Kmx=0.8(它远比图2的门槛值KⅢH/Kmx要高)， 如不充氢，则经过100h也不产生滞后断裂，这表明，图2所显示的滞后断裂是由氢引起 的。 奥氏体不锈钢Ⅲ型试样如在空气中或1NH,SO4溶液中直接扭断，则可获得典型的 扭转平断口（图3a),它们由拉长的韧窝构成（图3b),因为全部动态充氢所产生的 滞后断口也都是平断口，且有互相研摩的痕迹（见图4a)，这表明，Ⅲ型试样的氢致 裂纹是沿原缺口平面形核和扩展的。和空气中直接扭断的断口不同，充氢的平断口上有 很多二次裂纹，它们似乎沿45°面向纵深扩展，如图4b所示，二次裂面上的断口和直接 扭断的断口并不是不同。 因为沿原缺口的断裂面已被磨平，这表明动态充氢过程中试样的扭转角不断增大直 至被扭断。扭转角的增大显然是扭转塑性变形的结果。在恒扭矩下的塑性变形就是一种 蠕变，这就是说，动态充氢能促进Ⅲ型试样的室温蠕变，从而导致扭转角的不断增大， 直至断裂，为了证实这一点，首先研究了充氢对扭转蠕变曲线（即8-t曲线）的影响。 在空气中加载，随着载荷增大，扭转角8不断增大，停止加载后由于瞬时蠕变，日 116

裂扭矩代人 式就可获 皿 。 三个试样 的测 量 值 分 别 为 ， ， ， “ 侧瓦 共 平均值 为 迁 ， 由图 就 可获得 皿 型试样氢致滞 后断 裂 的 门 槛 值 皿 即 二。 古 一 ‘ 二 ， ， 。 ， 其中 皿。 是规定时间内不发生滞后断裂的最大应力场强 度因子 ， 那 是能发生滞后断裂 的最小值 ， 实测 的结果 为 二 。 。 比 。 ‘ 弘一 卜。 ‘ ， 月。 如 ， 物 皿 部己 一 洲 心 。 吕 双，‘ 的 万 ， 吕 一 一 助 一 吕 名 、留昌 洲 一 、 、 万 丁 歼一 。 卜一飞矿一‘ 命一 一亩一一 亩， ， 五 吕 奋 户 … 口 飞 侮 才印 图 钢班 型 型试样在 ‘ 溶液中动态充氢和在 ‘ 溶液中应力腐蚀时断 裂时间 随 皿 皿 ， 的变化 ‘ ， 皿 皿 班 一 一 口 卜 实验表 明 ， 即 使加 载至 班 二 它 远 比 图 的 门槛值 皿 要 高 ， 如不充氢 ， 则 经过 也不 产生滞 后断裂 ， 这表 明 ， 图 所显示 的滞 后断裂 是 由氢 引起 的 。 奥 氏体不锈钢 型试样如在空 气 中或 溶液 中直接扭断 ， 则 可获得典型 的 扭 转 平断 口 图 ， 它 们 由拉长的 韧窝构成 图 ， 因为全部动 态充氢所 产 生 的 滞后断 口 也 都是 平断 口 ， 且有互 相研摩 的痕 迹 见 图 ， 这表 明 ， 型试 样 的 氢 致 裂纹是沿 原缺 口 平面形 核和扩展的 。 和空 气 中直 接扭断 的断 口不 同 ， 充氢的 乎断 口 上有 很 多二次裂纹 ， 它 们似 乎沿 ” 面 向纵深扩展 ， 如 图 所示 ， 二 次裂面上的断 口和直 接 扭 断的 断 口 并不 是 不 同 。 因为沿 原缺 口 的断裂面 已被磨平 ， 这表 明动 态充氢过 程 中试 样的 扭 转角不 断 增大直 至被扭断 。 扭 转角的增大显然 是 扭转塑 性 变形的结果 。 在恒扭矩下 的塑性 变形就 是 一 种 蠕 变 ， 这就是 说 ， 动 态充氢能 促进 型试 样的室温蠕变 ， 从而导 致扭转角的不断 增大 ， 直至 断裂 ， 为 了证实 这一 点 ， 首先研 究 了充氢 对扭转蠕 变 曲线 即 一 曲线 的影响 。 在空 气 中加 载 ， 随着载荷 增大 ， 扭转角 不 断 增大 ， 停止加 载 后 由于瞬 时 蠕 变 ， 夕

(a)4X (b)3EM.1000X 图3在空气或1N,S04溶液中直接扭断的宏观()和微现(b)新口形貌 Fig.3 Fracture surface overloaded in air (a)Macrograph (b)Micrograph (8)4X (b)SEM:1000X 图41NH:S0溶液中动态充氢的宏()和撒观二次裂纹(b)断口形貌 Fig.4.Hydrogen induced dolayed fraeture under Mode I loading (a)Macrograph (b)Micrograph of the failuro surface.In region A,there are some soundary cracks propagating on the planes inelin电dat《6” 继续增大，但很快趋于稳定值如图5上AB曲线所示。如接着动态充氢，则经过一段孕 育期后扭转角又开始增大，如图5所示。如不停止充氢，则扭转角不断增大直至试样被 117

、 肠 们曰曰月皿 声 ， 图 卜 居 。 在空气或 “ 溶液中直接扭断的宏观‘ 和徽观‘幻断 口 形貌 ， 卜诬 妞 ‘ 吕 幼二 勺 口 诊 ‘ 图 玉 溶液 中动态充氢的宏观 》和徽观二次裂纹 句断口 形貌 。 ，一。 斌， 二 口 皿 一 鱿 ， 卜 月， 一 二 ‘ 人 二 ， 。 一 召 件 比 ， 二 一 ‘二 ‘ 继续增大 ， 但很快趋于稳定值如 图 上 曲线所示 。 如接着动 态充氢 ， 则经过一 段 孕 育期后扭转角又 开始增大 ， 如图 所示 。 如不停止充氢 ， 则 扭转角不断增大直至试样被