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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-07-24 16:10
氫能源作為現(xiàn)“雙碳”時(shí)代的清潔能源之一，在未來(lái)可能為世界擺脫化石能源發(fā)揮關(guān)鍵作用。太陽(yáng)能和風(fēng)能現(xiàn)如今在新能源領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿Γ沁@類能源的一個(gè)關(guān)鍵問題是，其能源生產(chǎn)的高峰和低谷是隨著周期變化而出現(xiàn)的，而這些周期不一定與能源需求的高峰和低谷一致。氫能能夠作為補(bǔ)充能源，使用上述兩種能源高峰期的過(guò)剩電力生產(chǎn)氫氣并儲(chǔ)存，轉(zhuǎn)而在有需求的時(shí)候通過(guò)電化學(xué)燃料電池轉(zhuǎn)化為可用能源。氫能有著一定的發(fā)展?jié)摿?，但其運(yùn)輸和儲(chǔ)存一直是該領(lǐng)域的難點(diǎn)，氫脆效應(yīng)下金屬材料的疲勞性能和壽命預(yù)測(cè)都是亟待研究的問題。
金屬材料的疲勞失效是工程中常見的現(xiàn)象，其可被定義為材料承受波動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)損傷累積的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程體現(xiàn)在裂紋的形成上，而最終的結(jié)果就是零件的斷裂和失效。對(duì)于疲勞裂紋的形成過(guò)程，不同的學(xué)者有不同的劃分，Schijve將這個(gè) 過(guò)程分為四個(gè)階段：裂紋成核、微裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和失效。Shang等人則是分為了五個(gè)階段：早期旋回形成與破壞、微裂紋形核、短裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展、最終斷裂。盡管不同的學(xué)者有不同的劃分方法，但總結(jié)起來(lái)有3個(gè)共同的階段：裂紋萌生、穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展和不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展，如圖1所示。
圖1 疲勞裂紋產(chǎn)生機(jī)制及評(píng)估方法
疲勞壽命是指材料從原始狀態(tài)到失效所承受的循環(huán)次數(shù)。疲勞壽命預(yù)測(cè)是金屬材料疲勞研究的廣泛課題，在工程設(shè)計(jì)和維護(hù)中起著至關(guān)重要的作用。通常疲勞壽命是通過(guò)疲勞試驗(yàn)和分析來(lái)確定的，在疲勞試驗(yàn)中，材料或結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)歷一系列的循環(huán)載荷，載荷幅值和頻率會(huì)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)定。通過(guò)試驗(yàn)記錄下載荷和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而確定材料或結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
氫脆是指由于氫的存在，金屬材料的力學(xué)性能在外載作用下急劇變化，并產(chǎn)生低塑性、不可逆損傷及低應(yīng)力循環(huán)加載下的延遲斷裂現(xiàn)象。大多數(shù)的金屬受氫脆影響，像低合金鋼、沉淀硬化鋼、高溫合金和鋁合金，且不同金屬不同程度地受到氫脆 效應(yīng)影響，具有不同的性能變化和疲勞斷裂機(jī)制，圖2總結(jié)了金屬材料氫脆現(xiàn)象形成的原因以及材料氫脆敏感性的影響因素。氫的存在使金屬的延展性和疲勞強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致內(nèi)部裂紋的形成。
疲勞裂紋擴(kuò)展是金屬材料安全設(shè)計(jì)中需要考慮的基本特性之一，在氫氣中，金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為加劇，特別是在高壓、高濃度和變化加載頻率等因素影響下，其疲勞裂紋擴(kuò)展速率會(huì)顯著增加，加速材料疲勞破壞的過(guò)程。這會(huì)大大降低金屬材料的疲勞壽命，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試所獲得的疲勞裂紋擴(kuò)展速率等參數(shù)，可作為輸入來(lái)構(gòu)建疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)疲勞壽命。因此對(duì)氫環(huán)境下金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展的研究是相關(guān)疲勞壽命預(yù)測(cè)的關(guān)鍵所在。
金屬材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性有著重要意義，常見的一些疲勞壽命預(yù)測(cè)方法通常采用物理方法描述材料的疲勞損傷演化過(guò)程，進(jìn)而通過(guò)模型來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的行為。在氫環(huán)境下，由于氫脆、應(yīng)力腐蝕和氫誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象，金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率會(huì)增加，疲勞壽命降低。因此在疲勞裂紋擴(kuò)展階段常見的基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法在氫環(huán)境下的應(yīng)用較為廣泛。此外，隨著近些年來(lái)機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)快速發(fā)展，相關(guān)應(yīng)用也拓展到疲勞壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域。像支持向量機(jī)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都是常用模型，不過(guò)這些方法在氫環(huán)境下的疲勞壽命預(yù)測(cè)應(yīng)用很少，未來(lái)在該領(lǐng)域還有很大發(fā)展空間。
圖2 材料氫脆的原因及氫脆敏感性影響因素
本文的目的是系統(tǒng)回顧氫環(huán)境下金屬材料疲勞相關(guān)的研究，主要介紹氫脆及其影響下疲勞裂紋擴(kuò)展、性能退化和壽命預(yù)測(cè)方面的內(nèi)容。
1 、氫脆機(jī)制及相關(guān)行為對(duì)疲勞裂紋的影響
氫脆是指由于氫的存在，金屬材料的力學(xué)性能在外載作用下急劇變化，并產(chǎn)生低塑性、不可逆損傷及低應(yīng)力循環(huán)加載下的延遲斷裂現(xiàn)象。其本質(zhì)是材料中的氫在應(yīng)力誘導(dǎo)下會(huì)富集于微缺陷處，隨著應(yīng)力值的攀升，該處氫濃度將達(dá)到臨界值，并促 進(jìn)缺陷處裂紋的萌生與擴(kuò)展。隨著裂紋的向外延伸，萌生的裂紋尖端成為新的應(yīng)力集中區(qū)及氫富集區(qū)，驅(qū)使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。反復(fù)的循環(huán)最終導(dǎo)致材料在宏觀上表現(xiàn)為延遲斷裂。延遲斷裂即指在外載下結(jié)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生即時(shí)斷裂，而是在應(yīng)力的逐步誘導(dǎo)下，富集的高濃度原子氫群促使氫致裂紋形核、擴(kuò)展，最終宏觀表現(xiàn)為斷裂失效。
氫脆又分為環(huán)境氫脆、氫反應(yīng)氫脆和內(nèi)部可逆氫脆，其中氫反應(yīng)和內(nèi)部可逆氫脆屬于傳統(tǒng)的氫脆，其間的區(qū)別見下表1。長(zhǎng)期工作在氫氣環(huán)境中的儲(chǔ)氫容器和管道等系統(tǒng)出現(xiàn)的氫脆現(xiàn)象稱為環(huán)境氫脆。環(huán)境氫脆的發(fā)生通常經(jīng)過(guò)環(huán)境中的氫通過(guò)氣態(tài)輸運(yùn)、物理吸附、氫分子離解、化學(xué)吸附、金屬中的擴(kuò)散和溶解等過(guò)程，才能產(chǎn)生氫致開裂和塑性損傷。
表1 氫脆的類型和特點(diǎn)
1.1 氫脆機(jī)制
對(duì)于氫脆作用下金屬材料裂紋擴(kuò)展的不同現(xiàn)象，研究人員們提出了不同的機(jī)制來(lái)解釋，但只有少數(shù)機(jī)制被普遍接受。這些氫脆機(jī)制可以單獨(dú)發(fā)生，也可以組合發(fā)生，從而解釋氫脆情況下金屬材料損傷在不同階段背后的原因。
現(xiàn)行氫脆的主要機(jī)制有3種，分別是：氫增強(qiáng)脫聚機(jī)制(Hydrogen enhanced decohesion mechanism, HEDE) 、 氫增強(qiáng)局域塑性 (Hydrogen enhanced localized plasticity, HELP) 和吸附誘導(dǎo)位錯(cuò)發(fā)射(Adsorption induced dislocation emission, AIDE)。具體情況如圖3所示。
圖3 三種氫脆機(jī)制的示意圖
HEDE
HEDE是最早的氫脆模型，該模型認(rèn)為原子氫會(huì)導(dǎo)致材料的特性發(fā)生變化。當(dāng)氫在材料中的溶解度較大時(shí)，氫原子會(huì)在材料內(nèi)部迅速擴(kuò)散，從而降低裂紋尖端材料的原子間強(qiáng)度，形成解理型斷裂。
HELP
HELP機(jī)制認(rèn)為氫原子在裂紋尖端附近的積 聚，降低了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而使位錯(cuò)的遷移率 增加并且在金屬晶格中充當(dāng)塑性變形的載體。由于氫導(dǎo)致屈服應(yīng)力局部下降，在低應(yīng)力水平下可能產(chǎn)生局部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這也意味著斷裂表面會(huì)顯示脆化材料的局部塑性變形和裂紋尖端的滑移帶。
AIDE
AIDE是HEDE和HELP的組合，在這種機(jī)制中，溶質(zhì)氫原子被吸附在應(yīng)力集中區(qū)域（例如裂紋尖端）的表面上。氫在裂紋尖端的吸附通過(guò)HEDE機(jī)制削弱了材料的原子間鍵和內(nèi)聚強(qiáng)度，并促進(jìn)位 錯(cuò)從裂紋尖端注入，然后通過(guò)HELP機(jī)制的滑移和 微孔形成來(lái)促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。
除了這3種主要的氫脆機(jī)制外，還有其他不同解釋金屬材料在氫環(huán)境下性能退化的機(jī)制，像氫增強(qiáng)宏觀延展性（Hydrogen Enhanced Macroscopic Ductility, HEMP ） 和氫致微孔聚結(jié)（ Hydrogen Assisted Micro void Coalescence, HAMC）。HEMP假設(shè)整個(gè)金屬試樣都處于氫氣環(huán)境中。由于氫氣擴(kuò)散和氫原子的固溶軟化，金屬材料的屈服強(qiáng)度會(huì)降低，此時(shí)整個(gè)試樣會(huì)塑性化，宏觀上表現(xiàn)為塑性增強(qiáng)。HAMC聚焦于微孔聚結(jié)這一延性斷裂機(jī)制，氫環(huán)境下金屬材料會(huì)發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和局部塑性變形，裂紋擴(kuò)展方向上的微孔相互連接，最終產(chǎn)生鋸齒狀的裂紋。
1.2 氫擴(kuò)散行為
從原理上來(lái)講，擴(kuò)散就是由于濃度梯度的存在， 顆粒從一個(gè)區(qū)域傳遞到另外一個(gè)區(qū)域的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程持續(xù)到混合物中顆粒通量向各組分分散，直至完全混合為止。擴(kuò)散現(xiàn)象最開始在流體中被觀察到， 后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)在固體中也存在擴(kuò)展的現(xiàn)象。金屬材料中的氫主要來(lái)源于高壓氫氣、電化學(xué)充氫和腐蝕反應(yīng)，而在疲勞領(lǐng)域，金屬材料因氫脆發(fā)生性能退化，主要是因?yàn)楦邏簹錃獾淖饔谩?/span>
高壓氫氣溶解于金屬中主要有3個(gè)步驟：
（1）物理吸收：氫氣與金屬材料表面發(fā)生范德 華相互作用，這個(gè)階段吸收能3 到5kJ/mol 。由于物理階段的氫吸收是可逆的，因此很容易達(dá)到平衡。
（2）化學(xué)吸收：這一步發(fā)生在單原子層內(nèi)，發(fā)生短程化學(xué)相互作用。氫氣分子的解離能可達(dá)到4.47eV，吸收能也高達(dá) 40到160kJ/mol ?；瘜W(xué)吸收過(guò)程不可逆且相對(duì)緩慢。
（3）氫氣溶解：在經(jīng)歷化學(xué)吸收后，在金屬材料內(nèi)部，由于氫原子濃度梯度的作用，氫原子開始向著其他地方擴(kuò)散。
對(duì)于高壓氫氣，金屬中的溶解氫濃度（CH）遵循Sieverts定律：
其中，S是溶解度常數(shù)，取決于材料的類型和溫度，PH2是氫分壓。
在理想情況下，氫原子會(huì)通過(guò)晶體點(diǎn)陣之間的空隙進(jìn)行擴(kuò)散，通常氫原子在晶格之中會(huì)在熱力學(xué)平衡附近的位置發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)這個(gè)振動(dòng)的能量超過(guò)氫原子擴(kuò)散的激活能時(shí)，氫原子就會(huì)由一個(gè)空隙擴(kuò)散到另外一個(gè)空隙。
氫的擴(kuò)散主要與材料的晶體結(jié)構(gòu)和溫度有關(guān)。溫度升高時(shí)，材料的有效氫擴(kuò)散系數(shù)也會(huì)增加，擴(kuò)展速率升高。另外，材料晶體結(jié)構(gòu)的不同也會(huì)導(dǎo)致氫擴(kuò)展速率的差異，溫度相同的情況下，體心立方等非密排結(jié)構(gòu)氫擴(kuò)散系數(shù)要遠(yuǎn)高于面心立方等密排結(jié)構(gòu)。在氫擴(kuò)散導(dǎo)致材料裂紋擴(kuò)展及失效的過(guò)程中。氫陷阱通常作為裂紋的起源或材料開裂的參與方，所謂氫陷阱，即材料中的一些晶體缺陷，像晶界、相界、位錯(cuò)等，這些缺陷位置會(huì)捕捉氫。由于氫陷阱和氫原子應(yīng)力場(chǎng)之間的相互作用，大量氫原子會(huì)向著氫陷阱的位置擴(kuò)散并聚集，從而導(dǎo)致材料裂紋的萌生、擴(kuò)展及斷裂（如圖4所示）。
圖4 氫脆致裂紋擴(kuò)展原理圖
氫的擴(kuò)散是造成材料與氫相關(guān)裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂的原因，此外該影響還與氫的濃度有關(guān)，當(dāng)擴(kuò)散氫的濃度低于臨界水平的話，發(fā)生氫脆效應(yīng)的 機(jī)會(huì)可忽略不計(jì)。當(dāng)擴(kuò)散氫濃度高于臨界值的話，材料中發(fā)生氫脆，且其嚴(yán)重性取決于氫濃度的量。氫環(huán)境下材料萌生裂紋并擴(kuò)展至斷裂的過(guò)程還受其他一些因素的影響，像裂紋擴(kuò)展速率主要取決于應(yīng) 力強(qiáng)度因子和加載頻率，隨著加載頻率的降低，試件疲勞裂紋擴(kuò)展速率將增加，這些內(nèi)容將在后文詳 述。
1.3 氫脆引起的裂紋萌生及擴(kuò)展的機(jī)制
金屬材料的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展是其疲勞性能在微觀機(jī)理上的表現(xiàn)，氫脆對(duì)其的影響也主要體現(xiàn)于此。對(duì)于初始無(wú)缺陷的金屬材料而言，其疲勞壽命通常由裂紋萌生和擴(kuò)展兩個(gè)階段的壽命組合而成：
其中， NT為總的疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)），Nt表示疲勞裂紋萌生階段的壽命（循環(huán)次數(shù)），Np表示疲勞裂紋擴(kuò)展階段的壽命（循環(huán)次數(shù)），其中包括 穩(wěn)定擴(kuò)展和不穩(wěn)定擴(kuò)展兩個(gè)階段。氫脆對(duì)于這兩個(gè)階段都有影響，金屬材料的疲勞壽命也會(huì)相應(yīng)減少，但現(xiàn)有氫環(huán)境下研究主要集中在疲勞裂紋擴(kuò)展方面，這部分將在后文闡述。
在疲勞裂紋萌生階段，氫氣對(duì)材料的影響主要集中在循環(huán)應(yīng)變過(guò)程中金屬材料微觀結(jié)構(gòu)缺陷的演變。
圖5 氫對(duì)材料疲勞斷裂過(guò)程中的作用示意圖：(a) 疲勞裂紋擴(kuò)展階段；(b)疲勞裂紋萌生階段
通常金屬材料疲勞壽命的減少和材料內(nèi)部或表 面界面積累的塑性應(yīng)變有關(guān)，而氫氣又會(huì)促進(jìn)材料的局部塑性變形，這種變形不局限于使材料表面凹凸不平，更會(huì)使疲勞裂紋萌生。圖5展現(xiàn)了金屬材 料在疲勞載荷和氫交互作用下裂紋萌生和擴(kuò)展的行為。從圖（a）中可發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的應(yīng)變主 要在裂紋尖端區(qū)域，此時(shí)氫擴(kuò)散的動(dòng)力來(lái)源于局部的三軸應(yīng)力。圖（b）展示了裂紋萌生過(guò)程中材料的 局部應(yīng)變?nèi)毕荩ǚ植?、?shù)量和大小）會(huì)影響氫的作 用，這些缺陷可能會(huì)捕捉氫原子知識(shí)材料局部應(yīng)力狀態(tài)改變，從而為氫的擴(kuò)散提供微小驅(qū)動(dòng)力。
從微觀機(jī)理的角度來(lái)看，在1.1節(jié)中所述一種氫脆機(jī)制及其組合的作用下，金屬材料會(huì)加速發(fā)生疲勞斷裂，因?yàn)樵谶@些機(jī)制的作用下，材料中發(fā)生了亞臨界裂紋擴(kuò)展。
在HEDE機(jī)制下，材料會(huì)因?yàn)榱鸭y尖端氫的影響，在受到特定值的應(yīng)力時(shí)內(nèi)聚強(qiáng)度降低。氫原子會(huì)聚集在裂紋尖端，降低內(nèi)聚強(qiáng)度，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)裂紋尖端開口處材料的原子間強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)發(fā)生亞臨界裂紋擴(kuò)展。
在HELP機(jī)制下，氫原子會(huì)聚集在位錯(cuò)核處，降低移動(dòng)位錯(cuò)之間的彈性相互作用或界面能，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力減小，塑性增強(qiáng)，使得材料很容易達(dá)到塑性機(jī)械并促進(jìn)損傷的形成，導(dǎo)致裂紋尖端發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。因此材料會(huì)在較低的外加應(yīng)力下發(fā)生裂紋擴(kuò)展，如圖6所示。
圖6 HELP機(jī)制引起的材料失效示意圖
在AIDE機(jī)制下，裂紋尖端氫的吸附會(huì)削弱金屬原子鍵的強(qiáng)度，促進(jìn)裂紋前沿位錯(cuò)的發(fā)射。在加載時(shí)，裂紋尖端發(fā)生塑性變形并形成微孔，這些微孔的形成和連接與位錯(cuò)發(fā)射滑移帶的綜合作用使得裂紋尖端始終存在并發(fā)生裂紋擴(kuò)展（如圖7所示）。
在AIDE機(jī)制下，裂紋尖端氫的吸附會(huì)削弱金屬原子鍵的強(qiáng)度，促進(jìn)裂紋前沿位錯(cuò)的發(fā)射。在加載時(shí)，裂紋尖端發(fā)生塑性變形并形成微孔，這些微孔的形成和連接與位錯(cuò)發(fā)射滑移帶的綜合作用使得 裂紋尖端始終存在并發(fā)生裂紋擴(kuò)展（如圖7所示）。
2 、氫脆影響下金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展
2.1 氫氣作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為
裂紋擴(kuò)展是金屬材料疲勞斷裂過(guò)程的一個(gè)重要階段，氫環(huán)境下裂紋擴(kuò)展主要與材料中吸收的氫有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)力的情況下擴(kuò)散到材料原有的缺陷處，因此相比空氣或惰性氣體，裂紋擴(kuò)展會(huì)增強(qiáng)，斷裂也會(huì)在較低的應(yīng)力水平下發(fā)生。如前文所述，氫脆會(huì)導(dǎo)致單調(diào)載荷下的亞臨界裂紋的擴(kuò)展，加快疲勞裂紋擴(kuò)展的速率。
前人已經(jīng)對(duì)氫環(huán)境下金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了許多研究，陳興陽(yáng)等人對(duì)氫環(huán)境下2205雙相不銹鋼進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比5MPa氫氣和氮?dú)庀虏牧系钠诹鸭y擴(kuò)展速率發(fā)現(xiàn)，氫環(huán)境下材料的擴(kuò)展速率要比氮?dú)庀驴?8倍。白光乾等人通過(guò)動(dòng)態(tài)充氫慢拉伸試驗(yàn)研究了氫氣對(duì)于X52管線鋼疲勞性能的影響，同時(shí)進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，結(jié)果表明充氫電流密度設(shè)為1mA/cm2時(shí)，氫氣作用下 X52管線鋼的疲勞裂紋擴(kuò) 展速率約為空氣中的1.4倍。根據(jù)Wei等人的分類，氫氣作用下材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為與正常環(huán)境 下的差異可以分為三種類型，具體裂紋擴(kuò)展速率的 變化如圖8所示。在類型1中，材料在氫脆作用下 的單調(diào)裂紋擴(kuò)展閾值（KIH ）（材料在氫環(huán)境下受 到靜態(tài)負(fù)載作用時(shí)出現(xiàn)亞臨界裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度界限）基本上相當(dāng)于正常環(huán)境下的單調(diào)裂紋擴(kuò)展閾 值，這表明材料此時(shí)實(shí)際上可能不受氫脆的影響， 并且此時(shí)不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力強(qiáng)度（KIC）等于KIH 。當(dāng)材料在氫環(huán)境下承受動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)，疲 勞裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力強(qiáng)度會(huì)降低，材料容易受到 氫脆效應(yīng)的影響，此時(shí)則會(huì)發(fā)生類型2所示的疲勞失效。一些材料在低于不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIC時(shí)，可能會(huì)受到氫脆效應(yīng)和該效應(yīng)下裂紋擴(kuò)展的影響，這時(shí)候會(huì)發(fā)生如類型3所示的裂紋擴(kuò) 展速率變化。
氫環(huán)境下裂紋的擴(kuò)展還會(huì)受到很多因素的影響，像在高壓氫氣和變化的加載頻率下，金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為也會(huì)有顯著不同，下面總結(jié)一下前人有關(guān)不同參數(shù)對(duì)于氫環(huán)境下疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究。
圖8 氫環(huán)境下可能的裂紋行為變化
2.2 不同參數(shù)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響
2.2.1 應(yīng)力比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響
疲勞裂紋擴(kuò)展階段的擴(kuò)展速率主要由裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度水平?jīng)Q定，但是也可能受到應(yīng)力比R（最小應(yīng)力強(qiáng)度與最大應(yīng)力強(qiáng)度的比值）等測(cè)試變量的影響。對(duì)此有學(xué)者進(jìn)行了不同的研究。
Dey等人通過(guò)試驗(yàn)研究了在恒定ΔK （應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍）情況下，充氫對(duì)于 7075T6鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，考慮了頻率和應(yīng)力比值等不同參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。他們觀察到高頻負(fù)載下氫脆引起的裂紋擴(kuò)展速率要比空氣中高得 多，但是應(yīng)力比的影響沒有很明顯，這可能是由于氫脆的相反的機(jī)制或氧化引起的裂紋閉合效應(yīng)。
Holbrook等人研究了加壓氮?dú)夂蜌錃庵袘?yīng)力比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。因?yàn)閼?yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK與Kmax相關(guān)，它們的關(guān)系如下式：
當(dāng)應(yīng)力比R增加時(shí)，給定ΔK下最大施加應(yīng)力強(qiáng)度( Kmax)將更高。氫氣中的疲勞測(cè)試會(huì)表現(xiàn)出顯 著不同的行為，疲勞裂紋擴(kuò)展速率在R值介于0.1和0.4之間時(shí)基本保持不變。然而，當(dāng)R值高于0.4時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展的增加速度比氮?dú)庵懈?。這是 由于氫脆引起的斷裂韌性降低而導(dǎo)致階段 3（見圖8）疲勞裂紋過(guò)早發(fā)生。
Dadfarnia 等人通過(guò)試驗(yàn)研究了混合氫和天然氣的輸送管道在不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展性 能。在6.9MPa的氫氣壓力下，對(duì)X42管線鋼進(jìn)行 了應(yīng)力比分別為0.1和0.8的疲勞試驗(yàn)。如圖9所示， 當(dāng) R=0.1時(shí)，氫氣會(huì)增加疲勞裂紋擴(kuò)展速率，當(dāng)R = 0.8時(shí)，疲勞裂紋速率隨著ΔK 的增大而增大。
圖9 X42管線鋼在6.9MPa氫氣和氮?dú)庀聹y(cè)量的疲勞裂紋擴(kuò)展速率（應(yīng)力比R=0.1 ；R=0.8 ）
從前人的一些研究來(lái)看，氫氣環(huán)境下應(yīng)力比值 對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響各有不同，這可能是由于試驗(yàn)條件和其他參數(shù)的影響。但是可以看出，高應(yīng)力比下氫氣中疲勞裂紋擴(kuò)展的速率會(huì)有所上升，具體量化分析還需后續(xù)試驗(yàn)研究。
2.2.2 氫氣壓力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響
在高壓情況下，氫分子更容易吸附和滲透到材 料表面，氫脆現(xiàn)象加劇。同時(shí)，氫原子的擴(kuò)散速率 會(huì)增加，因此其在材料內(nèi)部的分布也更加均勻，會(huì) 使得金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加。Zhang 等人測(cè)試了4130X鋼在45MPa、70MPa、87.5MPa和100MPa氫氣壓力下的裂紋擴(kuò)展速率，結(jié)果表明 疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨著氫氣壓力的增加而增加，但 是測(cè)試中加速度會(huì)在87.5MPa時(shí)達(dá)到閾值，這可能 與材料表面氫吸收的極限有關(guān)。
茍金鑫等人通過(guò)對(duì)X80管線鋼進(jìn)行高壓氫氣 環(huán)境下的拉伸和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，分析了氫氣對(duì) 材料的疲勞性能和裂紋擴(kuò)展速率的影響，并建立了相關(guān)疲勞裂紋擴(kuò)展模型。結(jié)果如圖10所示，在氫氣壓力3 MPa下管線鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率為氮?dú)猸h(huán)境中的10倍。
Slifka等人對(duì)兩種不同型號(hào)的管線鋼合金進(jìn) 行了疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)的負(fù)載比為0.5，加載頻率為1Hz，分別測(cè)試了X100和X52管線鋼在1.7MPa、7MPa、21MPa和48MPa下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。結(jié)果表明氫氣環(huán)境下的擴(kuò)展速率要比空氣中高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于X100管線鋼而言，增長(zhǎng)率的提高與壓力相關(guān)，但是X52管線鋼似乎與壓力無(wú)關(guān)。
圖10 在不同氫氣壓力下X80管線鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線
在天然氣此類需要管道輸送的能源工程中，氫氣往往是作為一小部分摻雜在天然氣中，而天然氣 運(yùn)輸管道通常采用氫脆敏感性較高的高強(qiáng)度低合金鋼，此時(shí)研究氫氣分壓對(duì)此類鋼種的疲勞裂紋擴(kuò)展 行為就成為了各學(xué)者的方向。張一葦?shù)热嗽诳倝簽?2MPa，氫氣分?jǐn)?shù)分別為0 vol%、1vol%、2.2vol%和5vol%的情況下進(jìn)行了X80鋼螺旋焊管的疲 勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)。結(jié)果表明氫氣分?jǐn)?shù)為1vol%的環(huán)境下疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加明顯，再往后氫氣 分壓的擴(kuò)大帶來(lái)的影響不太明顯（如圖11 所示）。Holbrook 等人評(píng)估了循環(huán)加載頻率為0.1Hz、應(yīng) 力比為0.25時(shí)氫氣壓力對(duì)X42鋼中氫脆輔助的疲勞 裂紋擴(kuò)展的影響。研究發(fā)現(xiàn)，氫氣中疲勞裂紋擴(kuò)展 速率與氮?dú)庵衅诹鸭y擴(kuò)展速率之比隨著氫分壓增 大而呈現(xiàn)冪函數(shù)增長(zhǎng)，根據(jù) Sieverts 定律，在平衡條件下，鋼中溶解氫的濃度（活度）應(yīng)與氫氣的平方根成正比。
圖11 不同氫氣分?jǐn)?shù)下X80鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率
氫氣對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響似乎存在一 個(gè)壓力閾值，在該閾值下氫氣中的疲勞裂紋擴(kuò)展速 率變得與氣壓無(wú)關(guān)，這可能與材料中氫氣的最大溶 解度或損壞區(qū)域中的臨界氫氣濃度有關(guān)。此外，不同參數(shù)之間還存在相互作用，對(duì)于不同氫氣壓力作 用下金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究來(lái)探索與其他參數(shù)之間的關(guān)系。
2.2.3 加載頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響
由于氫引起的損傷是一種傳輸限制現(xiàn)象，氫原子必須吸附并擴(kuò)散到高應(yīng)力區(qū)域，因此可能對(duì)加載 頻率有一定的依賴性。加載頻率較低的時(shí)候，應(yīng)力 循環(huán)周期長(zhǎng)，這也使得氫原子能夠有充足的時(shí)間擴(kuò) 散到裂紋尖端并聚集，如圖12所示，從而對(duì)金屬材 料的疲勞擴(kuò)展行為影響更加顯著。Fassina 等人的研究發(fā)現(xiàn)氫原子能夠在低頻下遷移到裂紋尖端， 從而增強(qiáng)氫對(duì)金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響。對(duì)此一些研究人員也通過(guò)結(jié)合不同頻率和壓力進(jìn)行了氫環(huán)境下金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展測(cè)試研究。
圖12 低頻加載下氫原子在裂紋尖端聚集的示意圖
Sun等人研究了15-5PH馬氏體不銹鋼在0.09MPa和9MPa下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，同時(shí)還在0.09MPa氫氣下，將加載頻率從20Hz降到0.2Hz 以此測(cè)試加載頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響（如圖13所示）。結(jié)果表明，高壓氫氣會(huì)增強(qiáng)裂紋擴(kuò)展速率，中壓低加載頻率也會(huì)提高裂紋擴(kuò)展速率。
圖13 氫環(huán)境下不同壓力和加載頻率下疲勞裂紋擴(kuò)展速率的變化
Matsunaga等人對(duì)氫環(huán)境下鋼材疲勞裂紋擴(kuò) 展的加速機(jī)制及其影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明 在高頻區(qū)域（例如 0.1∼10Hz），氫導(dǎo)致的疲勞裂紋擴(kuò)展加速比率隨著加載頻率的降低而逐漸增加，隨 后達(dá)到峰值。
Matsuoka等人通過(guò)不同頻率的拉伸疲勞試驗(yàn) 研究了氫和頻率對(duì)SMC435鋼疲勞行為的影響。通 常來(lái)講，氫氣作用下，材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率會(huì)隨 著加載頻率的降低而增加，但是他們發(fā)現(xiàn)氫環(huán)境中SCM435鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展的加速度也存在上限。
氫氣環(huán)境下加載頻率對(duì)金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò) 展速率的影響較為復(fù)雜。在低加載頻率下，若發(fā)生 延性斷裂，則疲勞裂紋擴(kuò)展速率減小，若發(fā)生準(zhǔn)解 理斷裂，則疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加。氫環(huán)境中由 加載頻率所造成的金屬疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加也存 在一個(gè)極限，這個(gè)極限由影響金屬疲勞的氫脆效應(yīng) 和加載情況共同決定，具體還需試驗(yàn)測(cè)定。
2.2.4 溫度對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響
氫環(huán)境下金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為對(duì)于溫度也有著依賴性。通常來(lái)講，溫度會(huì)影響氫原子在 材料內(nèi)部的擴(kuò)散，由位錯(cuò)傳輸理論可知：溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，位錯(cuò)對(duì)氫原子的捕捉效果都會(huì)減弱，從而降低材料的氫脆敏感性。因此在一些研究中提 到環(huán)境溫度上升的情況下氫致疲勞裂紋擴(kuò)展速率會(huì) 降低，但疲勞裂紋擴(kuò)展行為對(duì)溫度的依賴性也會(huì)受 其他因素的影響，像當(dāng)氫氣壓力增加到一定程度時(shí)，這種高溫效應(yīng)逐漸變得不那么明顯。
Yamabe等人在氫氣壓力在0.1至90MPa， 試驗(yàn)頻率在0.001至10Hz的組合條件下，進(jìn)行了溫度為室溫、363K和 423K下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。隨著測(cè)試溫度的升高，初始ΔK會(huì)轉(zhuǎn)向更高的ΔK ， 相關(guān)疲勞裂紋擴(kuò)展速率會(huì)降低。
對(duì)于純鐵材料而言，晶界的斷裂是低應(yīng)力強(qiáng)度 范圍內(nèi)氫致疲勞裂紋擴(kuò)展的主要原因，其擴(kuò)展速率 會(huì)隨著氫氣壓力的增大而增加，隨著測(cè)試溫度的升 高而增加。Ogawa等人在具有不同壓力和溫度組 合下的氣態(tài)氫環(huán)境中對(duì)純鐵進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展試 驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在特定溫度下，材料的疲勞裂紋 擴(kuò)展速率會(huì)隨著氫氣壓力的升高而升高，晶界斷裂 的影響更明顯，氣壓固定的情況下，溫度的提高可 以減輕這種影響（如圖14所示）。
圖14 不同氣體環(huán)境、氣壓和溫度組合條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率
Takakuwa等人分別在室溫和423K的氣態(tài)氫環(huán)境下對(duì)鐵素體-珠光體鋼進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展測(cè) 試，并通過(guò)掃描電子顯微鏡進(jìn)行裂紋分析。其結(jié)果表明，溫度升高能夠最小化沿解理面裂紋及其尾跡 塑性的降低，也降低了裂紋擴(kuò)展的加速度，可見溫度上升到一定程度，疲勞裂紋擴(kuò)展速率也會(huì)受到一定影響。
金屬材料在氫氣環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為源于疲勞損傷和裂紋尖端富氫量之間的復(fù)雜相互作用，這取決于壓力比、氫壓力、加載頻率、溫度和應(yīng)力強(qiáng)度因子水平等眾多因素。除了上述這些參數(shù)的影響外，材料本身的成分和性能也是氫環(huán)境下疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響因素。目前對(duì)于不同參數(shù)下氫致疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究都是通過(guò)具體試驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行模型表達(dá)是未來(lái)方向。
2.3 氫環(huán)境下疲勞裂紋試驗(yàn)的方法
2.3.1 充氫方法
金屬材料中氫的來(lái)源主要有兩種，一種是在材 料在冶煉、熱加工和熱處理及后續(xù)加工過(guò)程中所吸 收的氫；另外一種則是材料在氫環(huán)境下工作過(guò)程中 吸收的氫。當(dāng)金屬表面或內(nèi)部存在裂紋或缺陷時(shí)， 外部氫就會(huì)進(jìn)入金屬內(nèi)部顯微組織，并通過(guò)位錯(cuò)、 非金屬夾雜物和析出物等缺陷進(jìn)行累積，集合在缺 陷和金屬基體之間的氫原子使得金屬材料的脆性增 加，從而產(chǎn)生氫脆效應(yīng)，加速裂紋的萌生和擴(kuò)展。
現(xiàn)有氫環(huán)境下疲勞裂紋試驗(yàn)中，通常采用電化 學(xué)充氫的方法，像Kanezaki等人在研究氫對(duì)奧氏 體不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響時(shí)，即是通過(guò)pH值為3.5的硫酸溶液中的鉑電極以27A/m2的電流密 度對(duì)試樣進(jìn)行陰極充電，硫酸溶液還需每周更換一 次，以減少由于水蒸發(fā)引起的濃度變化。白光乾等人在探討X52管線鋼抗氫性能時(shí)，所采用的也是 電化學(xué)充氫方法。如圖15所示，以試樣作為陰極， 鉑電極作為陽(yáng)極，電解液為0.5mol/L的硫酸溶液， 他們的試驗(yàn)中還加入了1.85mmol/L的Na4P2O7作為毒化劑，以防止吸附在金屬表面的氫原子結(jié)合成氫氣溢出。Murakami 等人則是將所研究的SCM435不銹鋼浸泡在硫氰酸銨（NH4SCN）溶液中，再通 過(guò)陰極充電向其中充氫。
圖15 充氫方案示意圖
除了上述電化學(xué)充氫方法外，一些含氫化合物 在高溫高壓或化合反應(yīng)下也能產(chǎn)生氫氣，對(duì)于需求量小的試驗(yàn)比較適用。近些年來(lái)又開發(fā)了一種新的原位充氫裝置，該裝置通過(guò)雙壁結(jié)構(gòu)室將電解質(zhì)與 試樣的背面隔離，可在真空條件下進(jìn)行原位充氫。像基于掃描電子顯微鏡的技術(shù)，當(dāng)氫擴(kuò)散到樣品表 面時(shí)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)觀察和機(jī)械測(cè)試，因此可以連續(xù)追蹤氫引起的微觀結(jié)構(gòu)變化，而不會(huì)造成表 面電解質(zhì)污染。此外在測(cè)試高壓氫氣對(duì)于金屬材料 疲勞裂紋擴(kuò)展的影響時(shí)，還需帶有高壓氫氣室的伺 服液壓試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。
2.3.2 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法
通常對(duì)金屬材料進(jìn)行疲勞裂紋相關(guān)試驗(yàn)之前， 需要先在室溫條件下預(yù)制裂紋，再通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備加 載以獲得測(cè)試結(jié)果。慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)是研究氫環(huán)境 下金屬材料疲勞性能的一種常見方法，在對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)充氫后，再采用恒定變化的加載來(lái)研究材料的 變形行為，能夠耦合疲勞載荷和外部氫的劣化作用 的影響，使其更貼合現(xiàn)實(shí)情況，更好反應(yīng)材料的氫脆效應(yīng)。
在研究氫氣壓力對(duì)金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為 的影響時(shí)，通常需要特殊設(shè)備來(lái)營(yíng)造壓力環(huán)境。茍 金鑫等人[66]就通過(guò)一種帶有高壓氣體釜的加載試驗(yàn) 機(jī)來(lái)研究氫氣壓力對(duì)X80管線鋼疲勞裂紋擴(kuò)展行為 的影響。如圖16所示，試驗(yàn)過(guò)程中拉桿固定，高壓氣體釜隨下拉桿一起移動(dòng)，給釜內(nèi)試件加載。
圖16 高壓氫氣釜拉伸及疲勞試驗(yàn)裝置示意圖
Nguyen等人采用了一種最高壓力可達(dá) 120MPa的高壓釜，并將其安裝在伺服液壓測(cè)試框架上， 同時(shí)對(duì)多個(gè)試件進(jìn)行加載（如圖17所示）。
圖17 高壓氫氣下金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)械系統(tǒng)
除了氫氣壓力，溫度也是氫環(huán)境下疲勞裂紋擴(kuò) 展試驗(yàn)常提及的一個(gè)參數(shù)，魏連峰等人就曾通過(guò)MTS809 25kN的電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了不同 溫度下的疲勞加載試驗(yàn)（如圖18所示）。
為了避免電充氫和機(jī)械疲勞測(cè)試的間隔期間氫 氣擴(kuò)散釋放，F(xiàn)assina等人將試樣浸入液氮中，并采用100kN的MTS 伺服液壓加載 架進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。同時(shí)通過(guò)乙醇浴加熱充氫樣本到測(cè)試溫度，盡量減少材料中氫的損失。
圖18 疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)加載系統(tǒng)
通常氫環(huán)境下金屬材料的疲勞試驗(yàn)都較為簡(jiǎn) 單，一些普通疲勞試驗(yàn)機(jī)即可滿足條件。但對(duì)于一些特定因素的研究，像高溫、高壓和高濃度氫等情況下，還需要特殊或?qū)ｉT定做的設(shè)備進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。
3 、氫環(huán)境下金屬材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)
3.1 氫脆對(duì)材料疲勞性能的影響
隨著氫能源的開發(fā)與利用，眾多學(xué)者也對(duì)氫脆下金屬材料的疲勞特性、敏感性分析和裂紋擴(kuò)展等內(nèi)容進(jìn)行了相關(guān)研究。表2總結(jié)了近些年來(lái)有關(guān)氫脆影響材料疲勞性能的一些研究。
表2 氫脆對(duì)于金屬疲勞性能研究的總結(jié)
在氫脆效應(yīng)的影響下，金屬內(nèi)部通常發(fā)生兩種類型的斷裂：沿晶斷裂和穿晶斷裂。沿晶斷裂是脆性斷裂的一種，裂紋在材料中高速擴(kuò)展，而穿晶斷裂則發(fā)生在晶界之外。
在大多數(shù)情況下，氫氣會(huì)降低金屬材料的強(qiáng)度 和延展性，從而使得疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展直至斷裂的行為更容易發(fā)生。Rajabipour等人的研究表明， 氫脆會(huì)降低延展性和強(qiáng)度等機(jī)械性能，并且隨著氫 濃度和壓力的增加，裂紋的擴(kuò)展速率變大，失效可 能性也會(huì)增加。Dwivedi等人詳細(xì)闡述了氫脆導(dǎo)致的機(jī)械性能（例如延展性、韌性和強(qiáng)度等）退化的過(guò)程。但是，在氫脆導(dǎo)致的性能退化過(guò)程中，材料性能的變化也并非線性的。Lee等人通過(guò)疲勞 裂紋擴(kuò)展測(cè)試、斷裂韌性測(cè)試（如圖19所示）和有限元分析了高壓氫氣對(duì)SA-372J 級(jí)鋼壓力容器的影響，結(jié)果表明在這些測(cè)試中都有氫拐點(diǎn)（氫濃度低時(shí)，金屬材料性能退化和裂紋變化不太明顯；氫濃度高時(shí)，其對(duì)金屬材料特性變化和疲勞裂紋擴(kuò)展的影響顯著）的存在。
圖19 斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)
除了氫氣濃度，氫環(huán)境下金屬材料的疲勞性能 還會(huì)受到各因素的影響，像外部載荷的加載頻率、 材料本身的元素和氫脆敏感性等都是研究人員關(guān)注的方向。在疲勞失效的情況下，加載頻率頻率越低，氫進(jìn)入金屬的時(shí)間就越長(zhǎng)，金屬材料性能退化的影響就越嚴(yán)重。Roy等人通過(guò)疲勞強(qiáng)度測(cè)試發(fā)現(xiàn)， 在低應(yīng)力強(qiáng)度因子下，氫損傷相當(dāng)高，隨著載荷頻 率的下降，疲勞裂紋擴(kuò)展率增加。除了加載頻率外， 含碳量對(duì)材料的疲勞性能也有很大影響。Song等人發(fā)現(xiàn)碳含量會(huì)極大地影響了試件的拉伸性能、顯微組織、屈服應(yīng)力、極限拉應(yīng)力和總伸長(zhǎng)率，碳含量的增加，會(huì)使得試件的延伸率損失增大，疲勞壽 命損失減小，如圖20所示。通常，高強(qiáng)度材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度和較高的延展性，但由于材料中局部滑 移和晶界失準(zhǔn)之間的氫相互作用，材料會(huì)發(fā)生準(zhǔn)解 理型斷裂，這會(huì)降低材料的強(qiáng)度和延展性。為了提高抗氫脆性能，需要添加不同類型的合金元素，如Al、Mn，并細(xì)化晶粒。
圖20 充氫后不同碳含量下Fe-17Mn-xC鋼延伸率和疲勞壽命的損失
不同金屬材料對(duì)于氫氣有著不同的敏感性，這種情況下，氫脆敏感性較低的奧氏體鋼對(duì)于氫儲(chǔ)存 和運(yùn)輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常有吸引力的金屬材料。奧氏體鋼具有非常低的氫擴(kuò)散率和高氫脆耐受性，但是，當(dāng)Ni和Mo等奧氏體穩(wěn)定元素的含量減少時(shí)，其機(jī) 械穩(wěn)定性會(huì)降低。因此，在奧氏體向馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，原奧氏體鋼的氫脆抗力可能會(huì)降低。為了評(píng)估材料對(duì)于氫脆影響的耐受性，人們提出了不同的氫脆指數(shù)，像相對(duì)缺口拉伸強(qiáng)度比、相對(duì)收縮面積和總伸長(zhǎng)損失等。對(duì)于奧氏體鋼而言，最初， Ni當(dāng)量指數(shù)被引入來(lái)評(píng)估奧氏體在化學(xué)方面的穩(wěn)定性。由于馬氏體比奧氏體具有更低的氫溶解度和更高的擴(kuò)散率，在奧氏體在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過(guò)程中，其氫脆抗力會(huì)大大降低，后采用30%變形量形成 50%馬氏體時(shí)的Md30溫度來(lái)估計(jì)奧氏體的機(jī)械 穩(wěn)定性。Kang等建議對(duì)Ni當(dāng)量進(jìn)行修改，作為預(yù)測(cè)氫脆指數(shù)的指標(biāo)，并研究了高壓氫氣環(huán)境下Ni當(dāng)量與氫脆指數(shù)之間的關(guān)系。此外，Izawa等人研究了奧氏體不銹鋼的Md30溫度（馬氏體相變穩(wěn)定的溫度）與材料抗氫脆性之間的關(guān)系，以 Md30溫度代替?zhèn)鹘y(tǒng)Ni當(dāng)量，促進(jìn)馬氏體形成之外的控制參數(shù)的識(shí)別。
氫環(huán)境下金屬材料的疲勞性能下降和疲勞擴(kuò) 展速率的加快會(huì)使得其設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于空氣中 的疲勞強(qiáng)度，設(shè)計(jì)疲勞壽命也會(huì)遠(yuǎn)超實(shí)際情況。因此合理預(yù)測(cè)氫環(huán)境下金屬材料的疲勞壽命是一個(gè)重要課題，由疲勞性能測(cè)試所得的斷裂參數(shù)可作為氫環(huán)境下疲勞壽命預(yù)測(cè)的輸入，進(jìn)而通過(guò)一些壽命預(yù)測(cè)方法求得預(yù)測(cè)值，下面將介紹前人在該領(lǐng)域的一 些研究。
3.2 氫脆作用下金屬材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)
由于氫能源是近幾十年剛剛興起的綠色能源，有關(guān)氫環(huán)境下金屬疲勞壽命預(yù)測(cè)的理論大多處于初級(jí)階段，相關(guān)研究多數(shù)也是通過(guò)具體試驗(yàn)的方法分析氫氣對(duì)于材料疲勞壽命的影響，如表3所示。
表3 氫環(huán)境下疲勞壽命預(yù)測(cè)研究的總結(jié)
氫環(huán)境下金屬材料的疲勞壽命主要取決于其 抗氫脆性和裂紋擴(kuò)展行為。根據(jù)前文內(nèi)容，不同的材料有著不同的氫脆敏感性，這個(gè)敏感性最終體現(xiàn)在疲勞裂紋的擴(kuò)展上。一般來(lái)講，氫脆會(huì)加快疲勞裂紋擴(kuò)展的速率，縮短材料的疲勞壽命，因此裂紋 擴(kuò)展階段常見的基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法是氫環(huán)境下疲勞壽命研究的主要方法。
3.3 機(jī)器學(xué)習(xí)在氫環(huán)境下的應(yīng)用
機(jī)器學(xué)習(xí)是一種改進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法，可以加速或簡(jiǎn)化材料設(shè)計(jì)和開發(fā)，降低開發(fā)成本、風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間，還能在復(fù)雜的數(shù)據(jù)集中獲得深刻的見解。最近，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法已經(jīng)成功應(yīng)用于金屬材料的疲 勞特性的預(yù)測(cè)中，氫環(huán)境下也有所應(yīng)用。不同長(zhǎng)度尺度的疲勞裂紋擴(kuò)展取決于許多損傷控制參數(shù)，而機(jī)器學(xué)習(xí)的疲勞損傷建模方法能夠同時(shí)考慮大量損 傷參數(shù)，因此在疲勞裂紋擴(kuò)展分析中受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。Mortazavi等人建立了一種徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)預(yù)測(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展中短裂紋和長(zhǎng)裂紋的狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)框架如圖22所示，在經(jīng)過(guò)試 驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，所提模型有良好的差值能力，可準(zhǔn)確描述長(zhǎng)短裂紋擴(kuò)展的非線性。Bhowmik等人結(jié)合極限梯度提升算法和代理模型，用于計(jì)算不同裂紋長(zhǎng)度和深度的應(yīng)力強(qiáng)度因子，估計(jì)疲勞損傷和壽命，該模型相比基于物理或模擬的模型更高效。
從前文氫脆對(duì)材料疲勞性能的描述可知，材料的成分及其氫脆敏感性對(duì)其疲勞壽命有著重要影響，如何描述其間的關(guān)系是眾多學(xué)者的研究目標(biāo)。Narayana等人[設(shè)計(jì)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)擬合18Cr-12Ni-Mo奧氏體不銹鋼的成分、溫度和力學(xué)性 能之間的復(fù)雜關(guān)系。Kim等人通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)預(yù)測(cè)合金元素和測(cè)試條件對(duì)奧氏體鋼氫指數(shù)的影響，其研究工作流程如圖23所示。相關(guān)分析結(jié)果表明，Ni和 Mo是影響奧氏體鋼氫脆指數(shù)的主要特征，另外評(píng)估了四種代表性機(jī)器學(xué)習(xí)模型作為頂級(jí) 特征數(shù)量函數(shù)的性能，結(jié)果表明，隨機(jī)森林模型在各模型中的準(zhǔn)確率最高。
圖22 基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)短裂紋預(yù)測(cè)框架
目前，采用拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)是研究氫環(huán)境下金屬材料疲勞壽命的主要方法，但也有少數(shù)學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用在與氫相關(guān)的疲勞壽命預(yù)測(cè)中。Guo等人根據(jù)氫脆效應(yīng)、應(yīng)力因素和疲勞壽命之間的高度非線性關(guān)系，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的GS80A水下高強(qiáng)度鋼疲勞壽命預(yù)測(cè)模型， 預(yù)測(cè)結(jié)果與灰色理論模型存在合理的一致性。Zhao等人結(jié)合了遺傳算法和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估金屬氫化物反應(yīng)堆的蠕變疲勞壽命。
圖23 用于預(yù)測(cè)奧氏體鋼氫環(huán)境脆化的機(jī)器學(xué)習(xí)方法的工作流程
機(jī)器學(xué)習(xí)是一種可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)疲勞壽命預(yù)測(cè)、 疲勞分析的新方法，能夠從實(shí)際實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜數(shù)據(jù)集 中獲取額外的信息。其在降低開發(fā)成本、風(fēng)險(xiǎn)和時(shí) 間的同時(shí)也存在過(guò)擬合、解釋性差和泛化能力不強(qiáng)等缺點(diǎn)。這也是制約其在疲勞壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的 因素，未來(lái)可從這些方向?qū)で髾C(jī)器學(xué)習(xí)方法在疲勞壽命預(yù)測(cè)方面的突破。此外，氫環(huán)境下基于機(jī)器學(xué)習(xí)的疲勞壽命預(yù)測(cè)較少，未來(lái)還有很大應(yīng)用空間。
4、總結(jié)
本文調(diào)查了氫環(huán)境下金屬材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究主題，總結(jié)了氫脆作用下金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究，分析了各參數(shù)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，在高應(yīng)力比、高氫氣壓力、低加載頻率和低溫的情況下，氫脆的影響加劇，疲勞裂紋擴(kuò)展速率上升，但從前人的試驗(yàn)研究來(lái)看，這些參數(shù)對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響也存在閾值，同時(shí)會(huì)受到其他參數(shù)的共同作用?；跀嗔蚜W(xué)的方法在金屬疲勞壽命預(yù)測(cè)中使用較為廣泛，特別是對(duì)裂紋擴(kuò) 展壽命的應(yīng)用，這也是氫環(huán)境下使用較多的方法。在通過(guò)試驗(yàn)獲得疲勞裂紋擴(kuò)展速率后，即可通過(guò)斷裂力學(xué)及其相關(guān)方法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，但這些方法也存在過(guò)于依賴經(jīng)驗(yàn)公式、模型建立困難和求解效率 不高的問題?？偟膩?lái)說(shuō)，有關(guān)氫環(huán)境下金屬材料疲 勞壽命預(yù)測(cè)的研究取得了一定的進(jìn)展，但在一些方 面仍需要更多的工作：
（1）氫環(huán)境下，不同參數(shù)對(duì)各類金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響已經(jīng)在前人的試驗(yàn)中進(jìn)行了探討，但其結(jié)果上存在差異，像應(yīng)力比，一些學(xué)者的研究表明高應(yīng)力比會(huì)加快疲勞裂紋擴(kuò)展的速率，而一些學(xué)者則通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展沒有太大影響。氫環(huán)境下金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為通常受到多種參數(shù)的共同影響，這可能也是前人試驗(yàn)結(jié)果有差異的原因，此外不同參數(shù)對(duì)氫脆作用下材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響也存在上限。如何 量化各類參數(shù)及其組合對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響是后續(xù)研究需要解決的問題。
（2）基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法可以通過(guò)計(jì)算材料的應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度和裂紋擴(kuò)展速率等參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)疲勞壽命，在氫環(huán)境下被廣泛使用。但是，在此類疲勞壽命預(yù)測(cè)的過(guò)程中都存在很多不確定性。基于斷裂力學(xué)的方法主要考慮材料在單一應(yīng)力狀態(tài)下的裂紋擴(kuò)展行為，但實(shí)際中金屬材料的裂紋 擴(kuò)展又會(huì)受所提到的應(yīng)力比、壓力、頻率和溫度等 參數(shù)的影響，此外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差、模型參數(shù)估計(jì) 的誤差等都會(huì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果的精度。未來(lái)的研究可 更加關(guān)注不確定性的分析和建模，以此提高頻率壽命預(yù)測(cè)的精度。
（3）機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠利用高維和異構(gòu)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)來(lái)自動(dòng)、持續(xù)地更新自身，有效地補(bǔ)充對(duì)該過(guò)程的物理理解。常見的一些像斷裂力學(xué)的方法能夠合理捕捉疲勞響應(yīng)和裂紋擴(kuò)展行為，但由于難以納入像加工硬化等特殊因素的影響，這些方法存在一定的局限性。與其相比，機(jī)器學(xué)習(xí)不需要 輸入和輸出之間有任何顯式表達(dá)，因此在金屬疲勞壽命預(yù)測(cè)方面有巨大優(yōu)勢(shì)。相關(guān)方法已經(jīng)被廣泛用 于各類疲勞問題中，但在氫環(huán)境下金屬材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)中卻鮮有人運(yùn)用，若能將前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)并通過(guò)數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方法進(jìn)行擴(kuò)充，再運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，將有效提高求解效率和預(yù)測(cè)精度。
來(lái)源：長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)
來(lái)源：Internet
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