氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1999.01.010 第21卷第1期 北京科技大学学报 Vol.21 No.1 1999年2月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Feb.1999 氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响 李晓刚) 柯伟2) 乔利杰) 1)北京科技大学材料科学与工程学院腐蚀系，北京1000832)金属腐蚀与防护国家重点实验室，沈阳110015 摘要研究了国产钢经不同温度和时间氢暴露后的力学性能、疲劳性能和断裂韧性，用扫描电 镜证实了氢蚀后断裂机制发生了变化.研究表明：随氢蚀程度增加，20G钢抗拉强度和塑性降低明 显，CMo钢抗拉强度略有降低，塑性变化不大.氢蚀使20G钢的门横值有一个最小值，而断裂韧性 随氢蚀程度升高而降低，在氢蚀程度较低时，断裂韧性下降程度大；在氢蚀程度较高时，断裂韧性 下降程度变缓.碳钢的疲劳性能变化是由于材料损伤作用和氢蚀造成的裂纹表面引起的闭合效应 增加二者共同作用的结果 关键词疲劳性能：断裂韧性：氢蚀；断裂机制 分类号TG172.83 氢腐蚀(HA)能使材料的力学性能严重恶化， 氢蚀实验在抚顺石油三厂氢腐蚀基地完成，试样 它是化学工业、石油化工、煤转化工业临氢装置 放人300,350,400,450和480℃，18MPa的氢气 主要的损坏形式1~.鉴于实际构件多在变动载 介质中暴露时间为24,48,240,480和720h,使试 荷下工作，因而澄清氢蚀程度与疲劳性能的关 样发生不同程度的氢损伤.然后采用岛津EHF-E 系，对临氢装置寿命预测及工作载荷选择是至关 B-20L型液压伺服疲劳机进行拉伸和疲劳实 重要的，有关临氢用钢低周疲劳性能的研究，多 验.在应力比R=0.1,f=10h的，正弦波加载的 有报道，但临氢用钢氢损伤前后高周疲劳研究， 条件下，进行裂纹扩展与门槛值测试.门槛值测 氢损伤程度对疲劳断裂性能有何影响，报道不 试采用降载法，在近门槛值时，降载率为5%，直 多 到在6×10周次内，裂纹扩展约为0.06mm为止. 研究了国产20G、15Cr-Mo和2.25Cr-1Mo钢 COD实验也在EHF-EB-20L疲劳机上进行， 经不同时间不同温度氢暴露后的力学性能，疲劳 对几乎没有塑性变形就脆性断裂的试样，以启裂 性能以及断裂韧性的变化，并用扫描电镜观察了 点张开位移6，为临界张开位移(6，=6.试样不少 断口，证实氢蚀后断裂机制发生变化并对变化的 于3个)；对有塑性变形的试样，采用阻力曲线法 机制进行了分析. 选取裂纹亚临界扩展量为0.05mm的COD值 0s=6.(试样不少于5个)例.用阻力曲线法测8 1实验方法 时，各试样疲劳预制后裂纹长度之比a/W近似相 试样取自热轧板，成分（质量分数）见表1. 等，且在0.45和0.55之间，亚临界扩展量△a小于 0.5mm,并使停机点分布均匀6~副. 表1热轧板成分（质量分数） % dg=d。+6pi 钢样 C Mn Mo Cr Si P 6。=K(1-v)/(26sE) 20G钢 0.210.40- 0.150.0320.035 K,=PS/(BW33·f(a/: 15CrMo钢0.140.550.490.950.270.0350.035 d,=0.45',(W-a)/[0.45(W-a)+a+h]. 2.25CrMo钢0.170.550.902.250.340.0350.035 其中，δ为弹性张开位移，δ，为塑性张开位移，v为 常规力学性能测试采用中6mm标准试样，疲 泊松比，E为弹性模量，P,S,B和W分别为载荷、 劳试样为板状5mm×36mm×180mm,单边预 试验跨距、试样厚度和宽度.材料为脆性断裂 制4.5mm裂纹；断裂韧性Kc的测试均为轧向. 时：Kc=(Eo⊙)2；材料为韧性断裂时Kc= 1998-03-24收稿李晓刚男，35岁，散授，博士 (BEo⊙)2；其中B为COD减小系数，E=E/

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 比 氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响 李晓 刚 ’ 柯 伟 乔利 杰 北京科技大学材料科 学 与工程学 院腐蚀系 ， 北京 金属腐蚀与 防护 国家重点实验室 ， 沈阳 摘 要 研究 了 国产钢经 不 同温度 和 时 间氢暴露后 的力学性 能 、 疲 劳性能和 断裂韧性 ， 用 扫描 电 镜证实 了氢蚀后 断裂机制 发生 了变化 研究表 明 随氢蚀程度增加 ， 钢抗拉强 度和 塑性 降低 明 显 ， 。 钢抗拉强度略有 降低 ， 塑性变化不大 氢蚀使 钢的门槛值有一个最小值 ， 而 断裂韧性 随氢蚀程度 升高而 降低 ， 在氢蚀程度 较低 时 ， 断裂 韧性下 降程度 大 在 氢蚀程 度 较高时 ， 断裂韧性 下 降程度 变缓 碳钢 的疲劳性能变化是 由于材料损伤作用 和氢蚀造成 的裂纹表 面 引起 的 闭合效应 增加二者共同作用 的结果 关键词 疲劳性能 断裂韧性 氢蚀 断裂机制 分类号 氢腐蚀 能使材料 的力学性 能严重 恶化 ， 它 是 化 学 工 业 、 石 油 化 工 、 煤 转 化 工 业 临 氢 装 置 主 要 的 损 坏 形 式 一 鉴 于 实 际 构 件 多 在 变 动 载 荷 下 工 作 ， 因 而 澄 清 氢 蚀 程 度 与 疲 劳 性 能 的 关 系 ， 对临 氢装 置 寿命预 测 及 工 作 载 荷 选 择是 至 关 重 要 的 有 关 临 氢 用 钢 低 周 疲 劳 性 能 的研 究 ， 多 有 报 道 ， 但 临 氢 用 钢 氢 损 伤 前 后 高周 疲 劳研 究 ， 氢 损 伤 程 度 对 疲 劳 断 裂 性 能 有 何 影 响 ， 报 道 不 多 研究 了 国产 、 一 和 一 钢 经不 同时间不 同温 度 氢暴 露 后 的力 学性 能 ， 疲 劳 性 能 以 及 断裂 韧性 的变 化 ， 并 用 扫描 电镜观 察 了 断 口 ， 证 实氢蚀 后 断裂 机 制 发 生 变 化 并 对变 化 的 机制进行 了分析 实验方法 试样取 自热轧板 ， 成分 质量分数 见 表 表 热轧板成分 质 分数 钢样 钢 一 一 钢 ， 钢 二 常规力学性 能测 试采用 中 标准试样 ， 疲 劳 试 样 为 板 状 主 ， 单边 预 制 裂 纹 断裂 韧性 戈 。 的 测 试 均 为 轧 向 一 一 收稿 李晓刚 男 ， 岁 ， 教授 ， 博士 氢蚀 实验在 抚顺 石 油 三 厂 氢腐蚀基 地完成 ， 试 样 放 人 ， ， ， 和 、 的氢气 介质 中暴 露 时 间为 ， ， ， 和 ， 使试 样 发 生不 同程度 的氢损伤 然 后 采 用 岛津 一 一 型 液 压 伺 服 疲 劳 机 进 行 拉 伸 和 疲 劳 实 验 在 应 力 比 ， 的 ， 正 弦 波 加 载 的 条 件 下 ， 进 行 裂 纹 扩 展 与 门槛值 测 试 门槛 值测 试 采 用 降载 法 ， 在 近 门槛 值 时 ， 降载 率为 ， 直 到 在 护周 次 内 ， 裂 纹扩展 约 为 为止 实验 也 在 一 一 疲 劳机 上 进行 对几 乎没 有 塑性 变 形 就 脆性 断裂 的试样 ， 以 启裂 点 张 开 位 移占、为 临 界 张 开 位 移 ， 。 试 样 不 少 于 个 对有 塑 性 变 形 的 试 样 ， 采 用 阻 力 曲线 法 选 取 裂 纹 亚 临 界 扩 展 量 为 的 值 ， 一 。 试样 不 少 于 个 用 阻力 曲线法 测氏 时 ， 各 试样 疲 劳预 制后 裂 纹 长度 之 比 砰 近 似相 等 ， 且 在 和 之 间 ， 亚 临界 扩展 量△ 小 于 ， 并使停机点分布均匀 一 占 。 。 叽 一 ’ ， 戈 一 牙 ，‘ ’ · 哟 占， · 咋 牙 一 · 砰 一 · 其 中 ， 氏为弹性 张开位移 ， 人为塑性 张开位移 ， ， 为 泊松 比 ， 为弹性模 量 ， 尸 ， ， 和 平 分别 为载 荷 、 试 验 跨 距 、 试 样 厚 度 和 宽 度 材 料 为 脆 性 断 裂 时 戈 。 ’ ， 。 ’ ‘ ’ 材 料 为韧性 断裂 时凡 哪 ’ 。 ’ ‘ ’ 其 中吞为 减 小 系 数 ， ’ 君 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．01．010

VoL21 No.1 李晓刚等：氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响 ·33· (1-v).20G钢经不同程度腐蚀，0s,06,ò和中发 曾有人用甲烷鼓泡的大小来衡量氢蚀程度， 生变化见图1.E为非敏感量，受氢蚀影响不大 但测量较困难，且有一定随机性我们提出用： 此外用扫描镜观察了试样氢蚀断口， HA=(-0)/o8×100%,%. 32 550 来表示氢蚀程度（其中o,0,分别表示未氢蚀 15CrMo 470 和氢蚀材料的抗拉强度)，图3显示20G钢在相同 24 6 的240h的暴露时间下HA氢蚀程度随温度的变 390 16 化. 310 55 20G 230 4 d 0 8 33 150 0 300 350 400480 t/C 22 图1氢蚀温度对20G和15CMo钢力学性能的影响 2实验结果 0 300350 400450 t/℃ 20G钢在300,350,400,480、18MPa氢气中 图3HA%在相同的暴露时间不随温度的变化 暴露不同的时间后，除300℃试样外，其余试样表 金相分析表明，20G钢产生了严重的沿晶开 面出现清晰的甲烷鼓泡，随氢蚀温度升高鼓泡尺 裂，随氢暴露时间和温度的增加，沿晶开裂程度 寸增大.15CrMo钢在300,350,400,480、18MPa 增加；Cr-Mo钢产生了表面脱碳，随氢暴露时间和 氢气中暴露不同时间后，除240h和350试样 温度的增加，表面脱碳程度增加， 外，其余试样表面出现清晰的甲烷鼓泡，随氢蚀 由图4~图6上给出氢蚀温度对20G和 温度升高鼓泡尺寸增大， CrMo钢疲劳行为的影响.对20G钢，当da/dN> 拉伸实验结果见图2.20G钢随氢蚀温度升 l05mm/周期时，随氢蚀温度增加，daldN迅速 高，抗拉强度，延伸率均明显下降，在温度较低 增加；当da/dN在10~6mm/周期和10-5mm/周期 时，σ，中，δ对氢蚀程度非常敏感；温度升高（即氢 之间，氢蚀温度对da/dN影响不大；当da/dN< 蚀程度加重)至350℃时，少、6几乎为零，而0，仍然 10-mm/周期时，出现不同变化.氢蚀程度HA% 降低.15CrMo钢随氢蚀温度升高至480℃时，中、 较低（氢蚀温度较低）时导致了门槛值的明显下 6变化很小，而0，降低约10%，表现出敏感性， 降，进而门槛值随氢蚀程度的增加而略有增 2.25CrlM0钢的结果与15CrMo钢一致. 加.对15CrMo钢，当温度高于350℃时，随氢蚀温 500 20G 104 400 (a) (a)20 300 10-5 200 2.25CrlMo NOHA 10-6 300 100 480℃ 0 160h 320 480 10 678910 17 40 应力强度因子△K/MPa~m2 (b) 32 10g 20G 匿 (b)15CrMo 24 105 16 A NOHA 2.25CrlMo 10-6 :400 =480C 0 107 160 320 480 8 10 20 30 h 应力强度因子△K/MPa~m2 图220G和2.25Cr1Mo钢的抗拉强度(a)和延伸 率(b)随氢蚀时间的变化 图4氢蚀温度对20G钢(a)和15CrMo钢b)疲劳扩展速度的影响

李晓刚等 氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影 响 一 ’ 钢 经 不 同程 度 腐蚀 ， ， ， 和劝发 生变化见 图 为非敏感 量 ， 受氢蚀影 响不 大 此外 用 扫描镜观 察 了试样 氢蚀 断 口 － 几 曾有人 用 甲烷鼓泡 的大小来衡量 氢蚀程 度 ， 但测量 较困难 ， 且有一定 随机性 我们提 出用 试 一 此 ， 来表示 氢蚀程 度 其 中试 ， 吼分别表示 未 氢蚀 和 氢蚀材料 的抗拉强度 ， 图 显示 钢在相 同 的 的暴露 时 间下 氢蚀程 度 随温 度 的 变 化 一 一 一 一一 ，二习 芝考 科 界之口 口气︸布︸，︸、，了，、，︸二 ︸︵ 巩 派哭 七次 匕一一一占一一一 一一二二亡二二 ℃ 图 氮蚀温度对 和 钢力学性能的影晌 实验结果 钢 在 ， ， ， 、 氢气 中 暴露不 同的 时 间后 ， 除 ℃ 试样外 ， 其余试样表 面 出现清晰 的 甲烷鼓泡 ， 随氢蚀 温 度 升 高鼓泡 尺 寸 增 大 钢 在 ， ， ， 、 徽气 中暴露不 同时 间后 ， 除 和 试样 外 ， 其余试 样 表 面 出现 清 晰 的 甲烷 鼓 泡 ， 随 氢蚀 温度 升高鼓泡 尺寸增 大 拉伸 实 验 结果 见 图 钢 随 氢蚀 温 度 升 高 ， 抗 拉 强 度 ， 延 伸 率 均 明 显 下 降 ， 在 温 度 较 低 时 ， ， 势 ， 对氢蚀程 度非 常敏感 温度 升高 即氢 蚀程 度加 重 至 ℃ 时 ， 劝 、 几乎 为零 ， 而巩仍然 降低 。 钢 随氢蚀 温度 升高至 ℃ 时 ， 劝 、 占变 化 很 小 ， 而 。 降低 约 ， 表 现 出 敏 感 性 ， 钢 的结果 与 钢一致 ℃ 图 在相 同的县耳时间不随温度的变化 金 相 分 析 表 明 ， 钢 产 生 了严重 的沿 晶 开 裂 ， 随 氢 暴 露 时 间 和 温 度 的 增 加 ， 沿 晶 开 裂 程 度 增 加 卜 钢 产生 了表面脱碳 ， 随氢暴露 时 间和 温度 的增 加 ， 表 面脱碳 程度增加 由 图 一 图 上 给 出 氢 蚀 温 度 对 和 钢 疲 劳 行 为 的 影 响 对 钢 ， 当 厄 一 周 期 时 ， 随 氢 蚀 温 度 增 加 ， 厄 迅 速 增 加 当 在 一 “ 而 周 期 和 ’ 周期 之 间 ， 氢 蚀 温 度 对 厄 影 响 不 大 当 刀丈 ’ 灯 周 期 时 ， 出现不 同变化 氢蚀程度 较 低 氢蚀 温 度 较 低 时 导致 了 门槛值 的 明 显 下 降 ， 进 而 门 槛 值 随 氢 蚀 程 度 的 增 加 而 略 有 增 加 对 巧 钢 ， 当温 度高于 ℃ 时 ， 随氢蚀温 公‘ 。 、 一 气 日 卜 乞菇瓜奋一 。 尸 仄奋一 一 一 － ，， 门 仪 。 。 ，‘ 卜扁下介一一六 一 · 。 。 ， ’ 。 门 二 一 ， 扩 二 李 。 丫了 鹦轰 蕊 ， ℃ 夕 二 ℃ ，‘凡亡 一︶ 侧麒橄撼、芝 一 一 ‘芝 勺 心卜 ，” 一 ‘「 ， ， ’ 夕。 于 住 ‘ 户 ℃ ℃ ℃ ︸ ，。沪 ‘ 户 一。叹县 · 、写息︶日 图 和 钢的抗拉强度 和延伸 率 随氢蚀 时间的变化 应力强 度 因子△ ‘ 图 氢蚀温度对 钢 卿 而 。 钥晒应劳扩展速度的影晌

·34· 北京科技大学 学 报 1999年第1期 度的升高，dal/dN明显增加，门槛值明显降低.对 10-3 2.25Cr-1Mo钢，本工作的氢蚀温度和时间对其疲 10-4 劳和断裂性能影响不大 。。 。。 ● 10-4f 10-5 (a) (b) 客 0 106人 ·NOHA ·350℃ ◆480℃ +NOHA /(NP 107 6 106 5d 410d 3 4567 10 .20d 应力强度因子△KMPa·m2 10-7 图8R0.75时愾蚀温度对20G钢疲劳裂纹扩展速度的影响 6 81014186810.1418 应力强度因子△K/MPam2 图520钢在300℃，18MPa(a)和2.25Cr1Mo钢在480℃， 3讨论 18MPa(b)条件下氢蚀时间对疲劳裂纹扩展 31温度对氢蚀程度的影响 20G钢氢蚀程度与ò。、Kc的关系见图7.6.和 H,渗入碳钢后发生如下反应： Kc随氢蚀程度升高而降低. Fe,C+2H2=CH,+3Fe+△G°. 对比图6和图7可知不同氢蚀对20G钢两个 产生的甲烷在晶界及夹杂物处形核、长大、 重要的材料性能参数△K和Kc的影响不同.门 连接，反应的主要控制步骤是碳从渗碳体通过铁 槛值随HA的变化出现一个最小值，Kc却随HA 素体向晶界及夹杂处扩散.温度升高，使碳扩散 增大而单调降低.为了探讨裂纹闭合效应对门槛 速度增加，甲烷的生成速度也增加.而对碳含量 值和疲劳裂纹扩展行为的影响，研究了应力比 相近的CMo钢，由于Cr和Mo形成了稳定的碳 R=0.75对碳钢的氢蚀前后的影响，结果如图8 化物，降低了碳的活度，并且和溶在铁素体中的 所示，由于R的增加，门槛值大幅度降低，裂纹扩 Cr和Mo共同提高钢的抗高温蠕变能力，Mo还 展速率增加，氢蚀温度对碳钢疲劳性能的影响更 有较强的晶界偏析倾向，从而降低晶界的界面 为明显.与R=01不同，门槛值随氢蚀程度的升 能，减少了晶界裂纹形核的几率和速率，使脱碳 高而下降，裂纹扩展速率增加 速度大于裂纹形成速率.CMo钢的临氢表面已 严重脱碳，但内部未变化.由于强度对有效面积 敏感，故有下降；塑性对脱碳不敏感，故没有明显 变化. 32氢蚀对疲劳性能的影响 6 由于氢蚀，20G钢在晶界及夹杂处产生甲烷 气泡，甚至裂纹，因此一些阻碍疲劳裂纹扩展的 0 22334455 障碍（晶界、珠光体与铁素体的边界）被消除，使 HA/% 图6氢蚀温度对20G钢疲劳门槛值的影响 材料抵抗裂纹扩展能力降低；但裂纹沿晶界连接 0.30 150 造成疲劳裂纹扩展路径变得非常曲折).20G钢 0.24 120 的疲劳行为是由于氢蚀对材料损伤作用和曲折 0.18 % 的疲劳裂纹路径造成闭合效应增加两因素所联 0.12 60 EdW 合决定.在低△K区，初始氢蚀损伤起主要作用， 30 导致△K显著下降，而随后由于疲劳裂纹曲折程 0.06 度随氢蚀温度增加而增加，造成闭合效应也增 0 0 223344 55 加，使门槛值增大，但随△K增加，闭合效应降低， HA/% 因此当da/dN大于l0~smml周期时，daldN随氢 图720G钢氢烛程度与6，K1c的关系 蚀温度增加而增加.从而造成图6所示现象，门槛 氢蚀20G钢Kc断口扫描观察表明：随氢蚀 值随氢蚀温度升高，出现一个最小值.对高温高 温度增加，断裂机制从韧窝状韧性断口向沿晶的 压临氢后的15CMo钢，其疲劳断裂性能的变化 脆性断口转化. 与碳钢不同，这是由于高温高压临氢对其损伤不

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 沪。 。， 踢瞥 ℃ … 夕 厅 卜﹂ 工。 度 的 升 高 获叹七导‘芝、之︶︵ ， 厄 明 显 增 加 ， 门槛 值 明 显 降低 对 一 钢 ， 本工 作 的氢蚀 温 度 和 时 间对其疲 劳和 断裂性 能影 响不 大 ‘ 啥 · 应力强度 因子。 为 · 班 竺 图 司 时氮蚀温度对 此钢疲劳裂纹扩展速度的影晌 ’了 一。缀吸 · 匀毛日‘ 应力强度 因子乙尤 · ， ， 图 钢在 ℃ ， 一吕 和 钢在 ℃ ， 条件下氢蚀时 间对疲劳裂纹扩展 钢 氢蚀程 度 与 、 戈 。 的 关系 见 图 氏和 戈 。 随氢蚀程度 升 高而 降低 对 比 图 和 图 可 知 不 同氢蚀 对 钢 两个 重 要 的 材 料 性 能 参数 乙凡和 戈 。 的 影 响 不 同 · 门 槛值 随 的变化 出现 一 个最 小 值 ， 戈 。 却随 队 增 大 而 单调 降低 为 了探讨裂 纹 闭合 效 应 对 门槛 值 和 疲 劳 裂 纹 扩 展 行 为 的 影 响 ， 研 究 了 应 力 比 对碳 钢 的 氢 蚀 前 后 的 影 响 ， 结果 如 图 所示 ， 由于 的增 加 ， 门槛值 大 幅度 降低 ， 裂 纹 扩 展 速率增 加 氢蚀 温度 对碳 钢疲劳性能 的影 响更 为 明显 与 二 不 同 ， 门槛值 随氢蚀程 度 的升 高而 下 降 ， 裂 纹扩展速率增 加 一一一一一一 一一一一一一 一一一一一一 一一 】 户以 图 氮蚀温度对 钢疲劳门槛值的影响 压丁一一一－一一－ 一一 － 门 」 里 吸 ’ “ 鉴 飞侧 霎 讨论 温度对氮蚀程度 的影晌 从 渗人碳 钢后 发生如下反应 氏 乙 产 生 的 甲烷 在 晶界 及 夹杂物 处形 核 、 长大 、 连 接 反 应 的主要 控制步骤是碳 从渗碳 体通 过铁 素体 向晶 界 及 夹杂处 扩散 温 度 升 高 ， 使碳 扩 散 速 度 增 加 ， 甲烷 的生 成 速 度 也 增 加 而 对碳 含 量 相 近 的 钢 ， 由于 和 。 形 成 了稳定 的碳 化物 ， 降低 了碳 的 活 度 ， 并 且 和 溶 在 铁 素体 中 的 和 共 同提 高钢 的抗 高 温 蠕 变 能 力 还 有 较 强 的 晶 界 偏 析倾 向 ， 从 而 降低 晶 界 的 界 面 能 ， 减 少 了 晶界 裂 纹 形 核 的 几 率 和 速率 ， 使脱碳 速 度 大 于 裂 纹 形 成 速 率 钢 的 临 氢 表 面 已 严 重 脱 碳 ， 但 内部未 变 化 由于 强 度 对有 效 面 积 敏感 ， 故有 下 降 塑性 对脱碳 不 敏感 ， 故 没有 明显 变化 氮蚀对疲劳性能的影响 由于 氢蚀 ， 钢在 晶界 及 夹杂处产 生 甲烷 气泡 ， 甚 至 裂 纹 ， 因此 一 些 阻 碍 疲劳 裂 纹扩 展 的 障碍 晶界 、 珠 光 体 与铁素体 的边 界 被 消 除 ， 使 材 料抵抗 裂 纹 扩展 能力 降低 但裂 纹 沿 晶界 连接 造 成 疲 劳裂 纹 扩 展 路 径 变得 非 常 曲折闭 钢 的疲 劳行 为是 由于 氢蚀 对材 料 损伤作用 和 曲折 的疲 劳裂 纹 路 径 造 成 闭合效 应 增 加 两 因 素所 联 合 决 定 在 低 △ 区 ， 初 始 氢蚀 损伤起 主要 作 用 ， 导致乙凡 显著下 降 ， 而 随后 由于疲 劳裂 纹 曲折程 度 随 氢 蚀 温 度 增 加 而 增 加 ， 造 成 闭合 效 应 也 增 加 ， 使 门槛值增 大 但 随乙天增 加 ， 闭合 效 应 降低 ， 因此 当 厄 大 于 ’ 周期 时 ， 厄 随氢 蚀温度 增 加而 增加 从而 造成 图 所示 现象 ， 门槛 值 随 氢 蚀 温 度 升 高 ， 出 现 一 个 最 小 值 对 高温 高 压 临 氢 后 的 钢 ， 其疲 劳 断裂 性 能 的 变 化 与碳 钢 不 同 ， 这 是 由于 高温 高压 临氢 对其 损伤 不 里动芝日 日 。 叱 一一一一一 一一一习 图 钢氮蚀程度与氏滋止的关系 氢蚀 钢 凡 断 口 扫描 观 察表 明 随氢蚀 温度 增加 ， 断裂 机制从韧 窝状 韧性 断 口 向沿 晶 的 脆性 断 口 转化

Vol.21 No.I 李晓刚等：氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响 ·35· 严重和平坦的疲劳断口未引起闭合效应所致.碳 而断裂韧性随氢蚀程升高度而降低；得到20G钢 钢的疲劳辉纹之间和晶界有明显的不规则台阶 不同HA与其门槛值和的关系图，为临氢构件寿 和沟，说明由于氢蚀裂纹扩展变得非常弯曲，引 命预测及工件载荷确定提供了重要依据， 起了较大的闭合效应.而CrMo钢的疲劳断口全 (3)氢蚀对碳钢和CMo钢的疲劳性能都有 是穿晶的周期解理断口，裂纹扩展路径平直，没 较大的影响，碳钢是由于材料损伤作用和氢蚀造 有引起闭合效应，因此，随氢蚀程度的变化，门槛 成的裂纹表面引起的闭合效应增加二者共同作 值的下降和裂纹扩展速率的增加完全是由于氢 用的结果 损伤造成的， (4)应力比对氢蚀后碳钢的疲劳性能有很大 33氢蚀对断裂韧性的影响 的影响，应力比增加，门槛值随氢蚀温度的升高 20G的δ。，Kc随氢蚀温度升高而单调降低， 而下降幅度较大，而裂纹扩展速度明显增加. 未出现门槛值那样的变化情况，是由于氢蚀对材 (5)随氢蚀温度升高，断裂机制由韧性向脆 料的损伤作用和材料失稳断裂时，裂纹尖端始终 性转变. 处于张开状态从而闭合效应为零所致.断口扫描 参考文献 发现，随氢蚀程度增加，晶界裂纹增大，断裂脆性 升高；在300℃氢蚀条件下，局部出现准解理断 1李晓刚.氢蚀机理与检测技术研究：[博士学位论文].沈 裂，但仍具有明显的韧性断裂特征；在350℃氢蚀 阳：中国科学院金属腐蚀与防护研究所，1994 条件下，断口具有明显的脆性特征但在两个准解 2李晓刚.氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响与炉管剩 理面之间形成撕裂棱；在400,480℃的氢蚀条件 余寿命评估：[博士后出站报告]，沈阳：中国科学院金 属研究所，1997 下断口完全是解理断裂，但在400℃氢蚀条件下 3、郦建立，氢蚀程度对钢机械性能的影响：[硕士学位论 解理面之间是由较矮的撕裂棱. 文].沈阳：中国科学院金属腐蚀与防护研究所，1996 4结论 4余宗森钢的高温氢腐蚀.北京：化学工业出版社， 1987.240 (1)随氢蚀程度增加，20G钢抗拉强度和塑性 5 Natan M,Johnson HH.A Experimental Investigation 降低明显，CMo钢抗拉强度略有降低，塑性变化 of the Internal Methane Pressure in Hgdrogen 不大，可用抗拉强度的变化率HA来表示氢蚀程 Attack.Metal Trans,1983,14A:963 度 6姚京，褚武扬，肖继美，稳定型奥氏不锈钢的氢致滞后 开裂.金属学报，1984(2)：260 (2)氢蚀使20G钢的门槛值有一个最小值， 7陈南平.脆性失效分析.北京：清华大学出版社，1993 Effect of Hydrogen Attack on Fatigue and Fracture Behaviour of Steels Li Xiaogang,Ke Wei,Qiao Lijie, 1)Matenral Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083.China 2)linstitute of Corrosion and Protection of Metals,Academia Sinica,Liaoning,Shenyang 110015 ABSTRACT The effect of hydrogen attack caused by exposure to hydrogen atmosphere at different temperatures and time on mechanical properties,fatigue crack growth behavior and fracture mecha- nism for Chinese made steels 20G,15CrMo and 2.25Cr-IMo were studied.The microstructure after hydrogen attack and the propagation path of fatigue crack have been observed by optical and electri- cal microscopy.The tensile tests showed that tensile strength and ductility decreased considerably with increasing of hydrogen attack.The COD testing indicated that fracture toughness material.The 2.25Cr-1Mo steel showed a lower susceptibility to hydrogen attack due to the action of element Cr and Mo,not resulting in a significant change in fatigue crack behaviour.It is suggested that the increase in the threshold K value could be attributed to the crack closure effect caused by the tortu- ous cracking path. KEY WORDS hydrogen attack;fatigue;fracture toughness;fracture mechanism

李晓刚等 氢蚀程度对钢疲 劳断裂性能的影 响 严重 和 平坦 的疲 劳 断 口 未 引起 闭合效应所 致 碳 钢 的疲 劳 辉 纹 之 间 和 晶 界 有 明 显 的 不 规则 台 阶 和 沟 ， 说 明 由于 氢 蚀 裂 纹 扩 展 变 得 非 常 弯 曲 ， 引 起 了较 大 的 闭合 效 应 而 钢 的疲 劳 断 口 全 是 穿 晶 的 周 期 解 理 断 口 ， 裂 纹 扩 展 路 径 平 直 ， 没 有 引起 闭合 效 应 ， 因 此 ， 随 氢 蚀 程 度 的 变 化 ， 门槛 值 的 下 降 和 裂 纹 扩 展 速 率 的增 加 完 全 是 由于 氢 损 伤造 成 的 氢蚀对断裂韧性 的影 响 的占 。 、 戈 。 随 氢 蚀 温 度 升 高而 单调 降低 ， 未 出现 门槛值那 样 的变 化 情 况 ， 是 由于 氢蚀 对材 料 的损伤作用 和 材 料 失稳 断裂 时 ， 裂 纹 尖端始终 处于 张 开状 态 从 而 闭合效 应 为零 所 致 断 口 扫描 发现 ， 随氢蚀 程 度 增 加 ， 晶界 裂 纹 增 大 ， 断裂 脆性 升 高 在 ℃ 氢 蚀 条 件 下 ， 局 部 出 现 准 解 理 断 裂 ， 但仍具 有 明显 的韧性 断裂 特 征 在 ℃ 氢蚀 条件下 ， 断 口 具 有 明显 的脆性 特 征但在 两 个 准解 理 面 之 间形 成 撕裂 棱 在 ， ℃ 的 氢蚀 条件 下 断 口 完全 是 解 理 断 裂 ， 但 在 ℃ 氢蚀 条件 下 解理面之 间是 由较矮 的撕裂棱 而 断裂 韧性 随氢蚀程 升高度 而 降低 得 到 钢 不 同 与其 门槛值 和 的 关 系 图 ， 为 临 氢构件 寿 命预测 及 工件载荷确定 提供 了重要 依 据 氢蚀 对碳 钢 和 钢 的疲 劳性 能都 有 较 大 的影 响 碳 钢是 由于 材料 损 伤作 用 和 氢蚀造 成 的 裂 纹 表 面 引起 的 闭合效 应 增 加 二 者 共 尚作 用 的结果 应 力 比对氢蚀 后 碳 钢 的疲劳性 能有 很大 的 影 响 ， 应 力 比增 加 ， 门槛 值 随 氢蚀 温 度 的 升 高 而 下 降幅度 较大 ， 而裂 纹扩展 速度 明显增加 随 氢 蚀 温 度 升高 ， 断裂 机 制 由韧 性 向脆 性 转变 参 考 文 献 结论 随氢蚀程度增 加 ， 钢抗拉强度 和 塑性 降低 明显 ， 钢抗 拉 强 度 略有 降低 ， 塑性 变化 不 大 ， 可 用 抗 拉 强 度 的变化 率 来 表示 氢蚀 程 度 氢蚀 使 钢 的 门槛 值有 一 个 最 小 值 ， 李 晓刚 氢蚀机理 与检测技术研究 博士 学位论文 沈 阳 中国科学 院金属腐蚀 与防护研究所 ， 李 晓刚 氢蚀程 度 对钢疲 劳 断裂性 能的影 响 与 炉 管剩 余 寿命评估 博士后 出站报告 沈 阳 中国科学 院金 属研究所 ， 、 哪建立 氢蚀程 度对钢 机械性 能 的影 响 硕 士 学位论 文 沈 阳 中国科学 院金属腐蚀与 防护研究所 ， 余 宗 森 钢 的 高 温 氢 腐 蚀 北 京 化 学 工 业 出 版 社 ， ， 〔 。 创刁 ， ， 姚京 ， 褚武扬 ， 肖继美 稳定 型 奥 氏不 锈钢 的氢 致滞后 开裂 金属学报 ， 陈南平 脆性失效分析 北京 清华大学 出版社 ， “ 口 ， ， 肠 ， ， 乙 ‘ ， ， ， ， ， 而 苗 ， ， ， 一 勿 “ ， 雌 勿 丘