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(cuò)的傳播、增厚和運(yùn)動(dòng)，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(cuò)的生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氫被泵送時(shí)，位錯(cuò)的培養(yǎng)會(huì)減少或停止。添加相同壓力不能促進(jìn)位錯(cuò)的培養(yǎng)和運(yùn)動(dòng)。利用恒位移樣品，可以研究氣和電氫充層前后位錯(cuò)組態(tài)的變化。結(jié)果表明，氫可以促進(jìn)位錯(cuò)的傳播、位移和運(yùn)動(dòng)。對(duì)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(cè)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(duì)屈服反應(yīng)（或變質(zhì)強(qiáng)度）的影響時(shí)，結(jié)論是不一致的，反之亦然。在恒載荷下保持一定時(shí)間后位錯(cuò)發(fā)射和運(yùn)動(dòng)就將停止,如增加外載荷,則位錯(cuò)發(fā)射和運(yùn)動(dòng)將重新開(kāi)始.這和恒位移條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)充氫,氫促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)射和運(yùn)動(dòng)相一致.這就表明,氫的作用相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)附加拉應(yīng)力,它協(xié)助外應(yīng)力促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)射和運(yùn)動(dòng).本文將用實(shí)驗(yàn)來(lái)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(duì)每一種熱處理?xiàng)l件,用圓棒拉伸試樣測(cè)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(cè)出相應(yīng)的氫濃度.在pH=4的3.5%NaCl溶液中浸泡時(shí)也會(huì)有氫進(jìn)入,用排油集氣法可測(cè)出其氫濃度.試樣在空氣中慢拉伸(=5.7×10-6s-1)至超過(guò)屈服后卸載,重新加載時(shí)其屈服應(yīng)力就等于卸載時(shí)的流變應(yīng)力.但是,如果卸載后長(zhǎng)時(shí)間(96h)充氫(使氫均勻分布于整個(gè)試樣),然后在空氣中重新慢拉伸(=5.7×10-6s-1),這時(shí)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(duì)σys=1410MPa的40CrMoTi鋼用氫滲透法測(cè)出不同充氫電流下的氫濃度C0,結(jié)果列于表1.畫(huà)出曲線后可獲得和i=50.0mA/cm2相對(duì)應(yīng)的C0=13.5×10-4%.用排油集氣法測(cè)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(cè)量誤差為0.5×10-4%,表1表明,這兩種方法測(cè)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(jí)別對(duì)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(jí)別對(duì)的影響也在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi).對(duì)于不同強(qiáng)度級(jí)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(jiàn)圖1.圖中虛線表示空拉超過(guò)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(cè)出的σad如下:當(dāng)σys為1410,1200,1050和900MPa時(shí),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(guò)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(guò)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(shí)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(guò)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(shí)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(guò)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(shí)的氫致附加應(yīng)力.用同樣的方法可測(cè)出i=50.0mA/cm2充氫時(shí)的氫致附加應(yīng)力.其結(jié)果已列于表2(表中與i值相對(duì)應(yīng)的C0值取自表1).為了驗(yàn)證用一個(gè)試樣和多個(gè)試樣來(lái)測(cè)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(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知,兩種方法測(cè)出的氫致附加應(yīng)力基本一致.對(duì)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(jiàn)圖3.由此測(cè)出的氫致附加應(yīng)力σad亦列于表2.對(duì)于σys=1200MPa的試樣,當(dāng)i≥5.0mA/cm2后,充氫后空拉時(shí)屈服前試樣就斷裂,故測(cè)不出氫致附加應(yīng)力.i≤1.0mA/cm2所測(cè)出的σad也已列于表2.對(duì)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(wú)法獲得σad.根據(jù)不同強(qiáng)度試樣測(cè)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(duì)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(duì)數(shù)的升高而線性增大,見(jiàn)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(lái)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(duì)數(shù)而線性升高.3附加拉應(yīng)力與氫對(duì)位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)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(cuò)通過(guò)增殖和運(yùn)動(dòng),發(fā)生加工硬化,從而使位錯(cuò)繼續(xù)增殖、運(yùn)動(dòng)的阻力從σys增至σf.充氫后由于存在一個(gè)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(cuò)重新運(yùn)動(dòng)的阻力σf時(shí)就再次屈服,這時(shí)的外應(yīng)力就等于.由圖1-3也可看出,氫使位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的阻力從σf降至.氫降低位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)的阻力和氫引起一個(gè)附加拉應(yīng)力從而促進(jìn)位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)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(duì)α-Fe的計(jì)算表明,氫在位錯(cuò)周圍形成氣團(tuán),室溫時(shí)能跟著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),加外力時(shí)氫氣團(tuán)變?yōu)椴粚?duì)稱分布,從而就有一個(gè)附加力作用于位錯(cuò).計(jì)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(gè)計(jì)算中,無(wú)法研究組織結(jié)構(gòu)或強(qiáng)度對(duì)σad的影響.Li等人認(rèn)為,位錯(cuò)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(gè)化學(xué)驅(qū)動(dòng)力τ=(nkT/b2)ln(f*/f)作用在位錯(cuò)上(其中n為單位長(zhǎng)位錯(cuò)上陷住的氫原子數(shù),b為Burgers矢量),它促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)射.這個(gè)化學(xué)驅(qū)動(dòng)力就是附加拉應(yīng)力.Birnbanm等認(rèn)為,氫氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)存在一