40crmoi鋼氫致附加拉應(yīng)力的研究

40crmoi鋼氫致附加拉應(yīng)力的研究

大量實(shí)驗(yàn)表明，金屬中的固溶氫能促進(jìn)位錯的傳播、增厚和運(yùn)動，促進(jìn)局部塑性變形。根據(jù)一系列透射電鏡（tem）下的震源觀察，在恒位移加載后，引入低壓氫，可以加速位錯的生長和運(yùn)動。當(dāng)氫被泵送時，位錯的培養(yǎng)會減少或停止。添加相同壓力不能促進(jìn)位錯的培養(yǎng)和運(yùn)動。利用恒位移樣品，可以研究氣和電氫充層前后位錯組態(tài)的變化。結(jié)果表明，氫可以促進(jìn)位錯的傳播、位移和運(yùn)動。對于大型樣品，可以使用網(wǎng)絡(luò)法、激光散斑法和云紋干擾法測量充層前后位尖附近變形區(qū)的變形變化。結(jié)果表明，氫使斷裂區(qū)的變形區(qū)增大，并增加了擴(kuò)散區(qū)的應(yīng)變量。不同的結(jié)論是，氫促進(jìn)了杏仁的轉(zhuǎn)化和局部塑性變形，但在研究氫對屈服反應(yīng)（或變質(zhì)強(qiáng)度）的影響時，結(jié)論是不一致的，反之亦然。在恒載荷下保持一定時間后位錯發(fā)射和運(yùn)動就將停止,如增加外載荷,則位錯發(fā)射和運(yùn)動將重新開始.這和恒位移條件下進(jìn)行動態(tài)充氫,氫促進(jìn)位錯發(fā)射和運(yùn)動相一致.這就表明,氫的作用相當(dāng)于產(chǎn)生一個附加拉應(yīng)力,它協(xié)助外應(yīng)力促進(jìn)位錯發(fā)射和運(yùn)動.本文將用實(shí)驗(yàn)來證明這一論述.1油淬+氫滲析試驗(yàn)as240CrMoTi鋼的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:C0.39,Cr1.08,Mo0.28,Mn0.05,Si0.05,Ti0.08,P0.001,S0.002.加工成1mm×12mm×85mm(均勻部分為35mm)的薄板拉伸試樣.在880℃保溫20min后油淬,再分別在400,590,620和650℃回火2h.對每一種熱處理條件,用圓棒拉伸試樣測量其屈服強(qiáng)度σs分別為1410,1200,1050和900MPa.充氫溶液為1mol/LH2SO4+0.25g/LAs2O3,充氫電流i=0.1,0.5,1,5,10和50mA/cm2.用氫滲透方法測出相應(yīng)的氫濃度.在pH=4的3.5%NaCl溶液中浸泡時也會有氫進(jìn)入,用排油集氣法可測出其氫濃度.試樣在空氣中慢拉伸(=5.7×10-6s-1)至超過屈服后卸載,重新加載時其屈服應(yīng)力就等于卸載時的流變應(yīng)力.但是,如果卸載后長時間(96h)充氫(使氫均勻分布于整個試樣),然后在空氣中重新慢拉伸(=5.7×10-6s-1),這時其屈服應(yīng)力就不再等于卸載前的流變應(yīng)力σf,其差值就定義為氫引起的附加應(yīng)力.如,則氫引起附加拉應(yīng)力,反之則為壓應(yīng)力.2氫致附加應(yīng)力試驗(yàn)對σys=1410MPa的40CrMoTi鋼用氫滲透法測出不同充氫電流下的氫濃度C0,結(jié)果列于表1.畫出曲線后可獲得和i=50.0mA/cm2相對應(yīng)的C0=13.5×10-4%.用排油集氣法測出在pH=4的3.5%NaCl水溶液浸泡96h以及不同i下充氫后的氫濃度,結(jié)果也列于表1.考慮到的測量誤差為0.5×10-4%,表1表明,這兩種方法測出的C0和值均在實(shí)驗(yàn)誤差范圍之內(nèi).用40CrMoV鋼研究了強(qiáng)度級別對的影響,結(jié)果表明,(σys=1414MPa),2.47×10-4%(σys=1320MPa),3.02×10-4%(σys=1278MPa).故可認(rèn)為強(qiáng)度級別對的影響也在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi).對于不同強(qiáng)度級別的40CrMoTi鋼,同一試樣在pH=4的3.5%NaCl水溶液中浸泡(充氫)前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1.圖中虛線表示空拉超過屈服后在A點(diǎn)卸載,實(shí)線表示卸載后在pH=4的3.5%NaCl溶液中浸泡(相當(dāng)?shù)鸵荻瘸錃?96h,干燥后再在空氣中拉伸,它在B點(diǎn)屈服.,就是氫致附加拉應(yīng)力,不同強(qiáng)度試樣測出的σad如下:當(dāng)σys為1410,1200,1050和900MPa時,σad分別為93.0,58.3,50.0和16.7MPa.圖2是σys=900MPa的40CrMoTi鋼電解充氫前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.試樣空拉超過屈服后在A點(diǎn)卸載,然后在低電流密度(i=0.1mA/cm2)下充氫96h,擦干后在空氣中拉伸至超過屈服點(diǎn)B后在b點(diǎn)卸載.A,B兩點(diǎn)的應(yīng)力差σad(=σA-σB)就是i=0.1mA/cm2充氫時的氫致附加應(yīng)力.同一試樣在i=1.0mA/cm2下充氫96h,擦干后空拉超過其屈服點(diǎn)C后在c處卸載,A,C兩點(diǎn)的應(yīng)力差就是i=1.0mA/cm2充氫時的氫致附加應(yīng)力.同一試樣接著在i=10.0mA/cm2下充氫96h,空拉超過其屈服點(diǎn)D后在d處卸載.A,D兩點(diǎn)的應(yīng)力差就是i=10.0mA/cm2充氫時的氫致附加應(yīng)力.用同樣的方法可測出i=50.0mA/cm2充氫時的氫致附加應(yīng)力.其結(jié)果已列于表2(表中與i值相對應(yīng)的C0值取自表1).為了驗(yàn)證用一個試樣和多個試樣來測量不同i值下充氫引起的氫致附加應(yīng)力是否有區(qū)別,本工作用X80管線鋼進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表3.由表3可知,兩種方法測出的氫致附加應(yīng)力基本一致.對于σys=1050MPa(40CrMoTi鋼)的試樣,同一試樣空拉及不同i值下充氫后空拉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3.由此測出的氫致附加應(yīng)力σad亦列于表2.對于σys=1200MPa的試樣,當(dāng)i≥5.0mA/cm2后,充氫后空拉時屈服前試樣就斷裂,故測不出氫致附加應(yīng)力.i≤1.0mA/cm2所測出的σad也已列于表2.對于σys=1410MPa的試樣,即使小電流(i=0.1mA/cm2)充氫后空拉,斷裂前亦未發(fā)生宏觀屈服,故無法獲得σad.根據(jù)不同強(qiáng)度試樣測出的σad值的結(jié)果可知,在NaCl水溶液中浸泡充氫后氫致附加拉應(yīng)力隨屈服強(qiáng)度的升高而線性升高,如圖4所示.其線性關(guān)系為表2的結(jié)果表明,對強(qiáng)度σys分別為900和1050MPa的試樣,氫致附加拉應(yīng)力均隨試樣中氫濃度對數(shù)的升高而線性增大,見圖5.其線性關(guān)系為這是兩條幾乎平行的直線,其差值完全是由強(qiáng)度引起的.把式(1—3)綜合起來可得即氫致附加拉應(yīng)力隨試樣的屈服強(qiáng)度以及固溶氫濃度的對數(shù)而線性升高.3附加拉應(yīng)力與氫對位錯增殖、運(yùn)動的影響如果不充氫,則卸載后重新拉伸的屈服應(yīng)力應(yīng)當(dāng)?shù)扔谛遁d前的流變應(yīng)力σf.這就表明,第一次拉伸至屈服后位錯通過增殖和運(yùn)動,發(fā)生加工硬化,從而使位錯繼續(xù)增殖、運(yùn)動的阻力從σys增至σf.充氫后由于存在一個氫致附加拉應(yīng)力,它能協(xié)助外加應(yīng)力σ,當(dāng)兩者之和等于位錯重新運(yùn)動的阻力σf時就再次屈服,這時的外應(yīng)力就等于.由圖1-3也可看出,氫使位錯增殖和運(yùn)動的阻力從σf降至.氫降低位錯增殖、運(yùn)動的阻力和氫引起一個附加拉應(yīng)力從而促進(jìn)位錯增殖、運(yùn)動所產(chǎn)生的宏觀效果是一樣的,這就是圖1-3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.圖4,5表明,氫致附加拉應(yīng)力或氫使塑性變形阻力的下降量隨氫濃度以及試樣強(qiáng)度的升高而增大.氫能夠產(chǎn)生附加拉應(yīng)力或使塑性變形阻力降低,例如,對α-Fe的計算表明,氫在位錯周圍形成氣團(tuán),室溫時能跟著位錯運(yùn)動,加外力時氫氣團(tuán)變?yōu)椴粚ΨQ分布,從而就有一個附加力作用于位錯.計算表明,附加拉應(yīng)力σad=(k-1)σ.其中,σ為外應(yīng)力;k(>1)隨氫濃度C0升高而升高,隨溫度下降而升高.在這個計算中,無法研究組織結(jié)構(gòu)或強(qiáng)度對σad的影響.Li等人認(rèn)為,位錯一旦被發(fā)射就成為氫的陷阱,一部分氫被捕獲后其逸度就f*降為f,從而就有一個化學(xué)驅(qū)動力τ=(nkT/b2)ln(f*/f)作用在位錯上(其中n為單位長位錯上陷住的氫原子數(shù),b為Burgers矢量),它促進(jìn)位錯發(fā)射.這個化學(xué)驅(qū)動力就是附加拉應(yīng)力.Birnbanm等認(rèn)為,氫氣團(tuán)對位錯存在一