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采用超高強(qiáng)度鋼(300M鋼)研究缺口試樣的拉伸性能。

(1) 熱處理工藝

試驗(yàn)300M鋼的熱處理工藝如下：930℃正火+650~670℃高溫回火，洛氏硬度要求≤33HRC；870℃油冷淬火+300℃回火兩次，抗拉強(qiáng)度R_m要求為(1960±100)MPa。

(2) 試樣

采用光滑拉伸試樣和缺口拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試樣形貌如圖1所示，光滑試樣的形狀尺寸參見GB/T 228.1-2010，缺口試樣的形狀尺寸見圖2。

圖1 光滑拉伸試樣和缺口拉伸試樣宏觀形貌

圖2 缺口試樣的形狀尺寸示意圖

(3)試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，缺口試樣的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出光滑試樣的，說明缺口部位的強(qiáng)度升高了，這一特性更容易引發(fā)氫脆型斷裂。兩試樣拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，可見缺口試樣是在無屈服的情況下就發(fā)生了斷裂，而且在斷裂前也并不是像光滑試樣那樣處于完全的彈性變形階段，而是在相同應(yīng)變的情況下，應(yīng)力均有所降低。該現(xiàn)象與試樣缺口處的應(yīng)力集中以及位錯運(yùn)動時的塞積有關(guān)。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

吸氫特性

1 氫元素的缺口效應(yīng)

(1) 缺口前方的氫富集

于廣華等用Ⅰ型缺口試樣研究了缺口前方的氫富集情況，結(jié)果表明：不加載時，缺口前方各點(diǎn)的氫含量在平均值上下波動，這也表明在熱處理及試樣加工過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力集中對氫的分布沒有影響，而且加載前缺口附近的氫含量是均勻分布的；加載后氫的分布出現(xiàn)了兩個峰值，第一個峰值緊靠缺口，第二個峰值距離缺口0.5~0.6mm，如圖4所示。

隨著載荷的增大，第一個峰值逐漸降低，第二個峰值則逐漸升高，而且峰的位置也逐漸遠(yuǎn)離缺口。

(2) 內(nèi)部氫元素的缺口效應(yīng)

內(nèi)部氫元素誘發(fā)氫脆型斷裂是螺栓制造過程中滲入的氫元素滯留在鋼中，在擰緊螺栓后擴(kuò)散、集中至螺紋等應(yīng)力集中部位，導(dǎo)致發(fā)生氫脆型斷裂的狀況，如圖5所示意。其典型案例是，螺栓電鍍工序中滲入鋼中的氫元素導(dǎo)致的氫脆型斷裂。

圖5 內(nèi)部氫的擴(kuò)散特性

內(nèi)部氫元素誘發(fā)氫脆型斷裂也包含原材料本身所含有的氫元素。

(3) 外部氫元素的缺口效應(yīng)

外部氫元素誘發(fā)氫脆型斷裂可分為：①螺栓表面吸附的冷凝水是一種弱電解質(zhì)，可產(chǎn)生少量的H^＋，如果冷凝水中還溶解有酸類物質(zhì)，其水解作用也會產(chǎn)生H^＋，這些H^＋會向應(yīng)力集中明顯的缺口部位擴(kuò)散、富集，如圖6所示意；②已擰緊的螺栓表面暴露在腐蝕性環(huán)境中，在表面發(fā)生腐蝕的同時產(chǎn)生H^＋，所產(chǎn)生的H^＋滲入鋼中之后集中在應(yīng)力集中部位，從而導(dǎo)致氫脆型斷裂。

圖6 環(huán)境氫的擴(kuò)散特性

2 螺栓氫脆型斷裂的本質(zhì)

氫脆可分為兩大類：第一類為外部氫脆，氫主要來源于潮濕空氣、冷凝水、腐蝕及腐蝕坑處等；第二類為內(nèi)部氫脆，氫主要來源于熱處理、酸洗、電鍍、除油等工序。

(1) 熱處理工序引入氫

連續(xù)式網(wǎng)帶爐是緊固件行業(yè)首選的熱處理設(shè)備，特別適合于批量生產(chǎn)的中小規(guī)格的緊固件，為了避免加熱過程中的氧化和脫碳，生產(chǎn)方通常采用保護(hù)氣氛。保護(hù)氣氛常采用高純度甲醇經(jīng)高溫催化裂解產(chǎn)生的氣體：CH₃OH→CO＋2H₂。淬火加熱時，在較高的加熱溫度下，氫很容易滲入到螺栓中。

(2) 酸洗工序引入氫

酸洗是把工件放在稀鹽酸中攪動10~15min，酸洗的主要作用是去除鋼材表面的銹層。工件在酸洗時產(chǎn)生如下反應(yīng)：Fe＋2HCl＝FeCl₂＋H₂，生成的氫氣會滲入到螺栓中。

(3) 除油工序引入氫

由于陰極除油的速度較快，所以多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)中采用了陰極除油。但在陰極除油過程中由于陰極反應(yīng)會產(chǎn)生大量的氫原子，附著在工件表面，從而產(chǎn)生滲氫。

(4) 電鍍工序引入氫

電鍍過程中的陰極反應(yīng)會產(chǎn)生大量的氫，并滲入鋼中。鍍層過厚也會阻礙除氫時氫的逸出。

(5) 電鍍后未除氫或除氫不徹底除氫必須在電鍍后、鈍化前進(jìn)行，除氫溫度為190~230℃。

根據(jù)內(nèi)部可逆性氫脆理論，在應(yīng)力作用下，裂紋前端塑性區(qū)附近將形成高位錯密度區(qū)，在這些區(qū)域中，氫的自由能很低，因此金屬內(nèi)部的其他氫原子依賴于運(yùn)動著的位錯將涌向這些低自由能區(qū)域，由于此運(yùn)動位錯對氫原子起到了“泵”的作用，這就形成了所謂的柯垂耳氣團(tuán)，造成裂紋前端氫原子的富集，于是不但容易形成裂紋，而且會使裂紋加速擴(kuò)展，這就是內(nèi)部可逆氫脆的本質(zhì)。環(huán)境氫脆與內(nèi)部氫脆并不存在本質(zhì)性差別，只不過前者氫來源于外界環(huán)境，而后者氫原子則存在于金屬之中。當(dāng)環(huán)境中的氫通過表面吸附并溶解入金屬后，其對金屬的脆化過程就與內(nèi)部氫脆完全一樣。

在外加載荷的作用下，螺紋根部或螺紋頭部過渡圓角附近因應(yīng)力集中而產(chǎn)生應(yīng)力梯度，由于應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散，原子氫富集在裂紋尖端局部區(qū)域。裂紋尖端水解作用可產(chǎn)生H^＋(pH值為3.7~3.9)，當(dāng)有效氫含量達(dá)到臨界值時，可以使局部區(qū)域的表觀屈服強(qiáng)度明顯下降，于是在較低的K_Ⅰ作用下就能產(chǎn)生氫致滯后塑性并導(dǎo)致滯后斷裂。