氢对表观屈服强度的影响——氢致滞后塑性变形的原因研究

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1981.02.012 北京钢铁学院学报 1981年第2期 氢对表观屈服强度的影响 -一氢致滞后塑性变形的原因研究 断裂力学组褚武扬幸世琼肖纪美朱淑唐 摘 要 1 应用光滑拉伸试样，弯曲试样以及预裂纹WQL型试样具有对广泛拉伸强度的 多种低碳及低合金钢研究了电解充氧对表观屈服强度的影响，并对氧致滞后塑性变 形进行了金相观察。结果表明：氢对光滑拉伸试样屈服强度的影响不明显。随钢种不 同，.充氢后屈服强度可能没有变化，也可能升高或降低，但其差值小于10%。对存 在应力梯度的无裂纹弯曲试样以及预裂纹WOL试样，当钢的强度和进入的氢量超 过临界值后氢能使表观屈服强度明显降低，从而引起氢致滞后塑性变形，最整导致 氢致滞后裂纹的产生和扩展。随钢的强度升高，进入的氢量增加，氢致表观屈服强 度下降也愈明显。另外，具有更大应力梯度和三向应力的裂纹试样，下降效应比无 裂纹弯曲试样更为明显。氢致表观屈服强度下降作用是扩散控制过程，明显使赖变 形速度和试验温度。另外，它具有可逆性，随着氢的逐薄消除，表观屈服应力也还 渐回到未充氢状态的数值。氢致表观屈服强度下降和原始变形量及是否存在加工硬 化关系不大。根据上述实验事实，本文对屈服强度下降的原因作了探讨。 前 言 我们对抛光的WOL恒位移试样，进行金相跟综观察的结果表明！1，当钢的强度和进入 试样的氢量超过临界值时，氢能产生带后塑性变形，即裂纹前端塑性区的大小及其变形量随 时间而增大。当滞后塑性变形发展到临界值时就会产生氢致裂纹。随后的工作表明，在所有 能提供氢的环境中（如电介充氢，H,气，H,S气体，水溶液，H2S水溶液，含微量水的有 机溶剂等)，滞后裂纹都是通过氢致滞后塑性变形机构进行的23]。氢为什么能产生滞后 塑性变形，这是需要进一步研究的课题。一种推测是在某种条件下氢能明显的降低材料表观 屈服强度，从而在较低的外应力（或K:)作用下就能引起塑性变形，再考虑到氢致表观屈 服强度的降低可能受扩散挖制，这样就可解释氢能导致滞后塑性变形。 长期以来，关于氢对纯铁或钢的屈服强度的影响已进行了大量的研究，但所得到的结果却 是矛盾的。有些实验认为氢使屈服强度下降115】，但也有结果表明氢对屈服强度没有影 响·？或使屈服强度升高18·1。虽然对薄壁筒扭转的实验表明，氢能使屈服点下降约 30%1,但对光滑拉伸试样，氢使屈服强度的变化一般不超过10%。最近木村、用超高 纯铁单晶的实验表明：在临界温度(190°K)以上，氢起软化作用，使屈服强度下降，低于 注：本文1980年8月12日收到 109

北 京 锅 铁 学 院 学 报 一 9 8 1年 第 2 期 氢对表观屈服强度的影响 一 氢 致滞 后 塑性变 形的 原 因研 究 断 裂力学组 褚武扬 李世琼 肖纪典 朱淑忿 摘 要 应 用 光滑 拉 伸试 样 , 弯 曲试 样 以 及 预 裂纹W Q L 型试 样具有对广 泛 拉伸强度的 多种低 碳及 低 合金 钢研 究 了电解充 氧对表观屈 服 强 度 的影响 , 并对 氮 致滞 后 塑性变 形 进行 了金 相观 察 。 结果表明: 氢对光 清拉伸试 样屈 服 强度 的攀响不 明 显 。 随钢种不 同 , 充氢 后屈 服 强 度可 能没有 变化 , 也可 能升 高 或降低 , 但 其 差值 小 于 10 % 。 对 存 在应 力梯度的 无 裂 纹弯 曲 试 样以及预 裂纹W O L 试样 , 当钢的强度和进 入 的氮 t 超 过 临界值后 氢能使表观 屈服 强度明 显降低 , 从 而 引起氢 致 滞后 塑性变形 , 最终导致 氮致滞后 裂纹 的产 生和 扩展 。 随钢的 强度升高 , 进 入 的氮 t 增加 , 氢致表观屈 服 强 度下 降也 愈 明 显 。 另外 , 具有更 大应 力梯度和 三 向应力 的裂纹试 样 , 下 降效 应 比无 裂纹弯 曲试 样 更为明显 。 氢致表观屈 服 强度下 降作 用是 扩散 控制过 程 , 明显伎 赖 变 形 速度和试 验 温 度 。 另外 , 它具有 可逆 性 , 随 肴氮 的还 渐 消除 , 表观屈 服应 力也 还 渐 回 到未 充氢状 态 的数值 。 氢致表观 屈 服 强度下 降和 原始 变形 量及 是 否 存在加 工 硬 化 关系不 大 。 根 据上述 实 验事 实 , 本文 对屈 服 强 度下 降的原 因作了探讨 。 前 、 . 口. . 自 口 我们对抛光的W O L 恒位移 试样 , 进 行 金相跟综 观察的结 果 表 明 【’ 】, 当钢 的 强度 和进 入 试样的宜量超 过临界值 时 , 氢 能产 生滞 后塑 性 变形 , 即裂 纹 前端 塑性区 的大小 及其 变形量随 时 间而增大 。 当滞后 塑 性变 形发展 到临界 值时 就会产生 氢 致裂纹 。 随后 的工 作表 明 , 在所有 能提 供氢 的环境 中 ( 如 电介充氢 , H Z 气 , H : S 气体 , 水溶 液 , H 2 5 水 溶 液 , 含微 量水的 有 机溶剂等) , 滞后裂 纹都是 通 过氢 致滞后 塑 性变 形机 构进 行 的 I恋 l 【“ 〕 。 氢 为什么能 产生 滞后 塑 性变 形 , 这是 需要进 一 步研究的课 题 。 一种 推 测是 在某种 条件下氢 能 明显 的降低材 料 表观 屈服强 度 , 从而 在较低 的外 应 力 ( 或 K : ) 作用 下就 能 引 起 塑性 变形 , 再 考虑 到氢致表 观屈 服强 度的 降 低可能 受扩 散控 制 , 这样就 可解释氢 能导 致滞后 塑 性变 形 。 长 期以 来 , 关 于氢 对纯 铁或钢 的屈服强度的影 响 已进 行 了大 量的研 究 , 但所得 到的 结果 却 是矛盾的 。 有些 实验 认 为氢使 屈服 强度下降 ’ 〔 ` 1 ! 5 ] , 但 也有 结果 表 明 氢 对屈 服 强度没 有影 响 eI ` ? 〕或 使 屈服 强度 升高 ! 8 ` “ l 。 虽 然对 薄 壁 筒扭 转 的实验 表明 , 氢 能 使屈 服 点 下 降约 3 0 % t ` “ 、 , 但对 光滑 拉伸试样 , 氢使屈 服强度 的变化 一般不 超 过 10 % 。 最近 木 村 l ” 』 用 超 高 纯 铁单 晶的实验 表 明 : 在临 界 温 度 ( 1 9 0 “ K ) 以 上 , 氢起软 化作用 , 使 屈 服强 度下 降 , 低于 注. 本文 1 9 8 0年8月1 2 日收到 衷pg DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1981. 02. 012

临界温度，氢起硬化作用。如果杂质含量升高，临界温度也上升。这表明，以往对铁单晶实 验结果的分散性可能和纯度有关。 考虑到顸裂纹试样和光滑拉伸试样不一样，在裂纹前端存在有应力梯度，三向应力以及 塑性变形区。因此，必须研究这些因素对充氢试样表观屈服强度的影响。为此，我们选用了 带有应力梯度的无裂纹弯曲试样和预裂纹WOL试样来研究氢对表观屈服强度的影响。此 外，我们也系统的研究了钢的拉伸强度，进入试样的氢量，变形速度，试验温度以及预先塑 性变形等因素对充氢试样表观屈服强度的影响。 实验过程 所用钢种的成份和性能见表1。拉伸试样是中10的标准拉伸试样。三点弯曲试样除 4)CrMnSiMo和40MnNb是10×20毫米外，其余全部是12×12毫米的试样。在试样底边贴 电阻片，弯曲时同时测P-e(应变)和P~δ（加载点位移）曲线。由两曲线开始偏离直线的 教有P,可算出屆服应力0：一品（跨距S=4W)）。预裂纹试样全部是厚为0毫米的W0L 型试样。在试样表面疲劳裂纹前端贴电阻片，拉伸时同时测量P-ε和P-V(裂纹张开位移) 曲线。对未充氢试样，用P-ε曲线偏离直线点作临界值，充氢后一般P-ε和P-v曲线同时开 始偏离直线（相差小于10%），故也以P-ε曲线偏离直线点作临界点。 表1 试验钢的成份和性能 成 分 Y.S T.S 8 功 钢 种 C Si Mn Cr Ni Mo Nb MPa MPa % % 20 0.180.310.51 0.0300.030 250 400 23.054.5 16Mn 0.180.401.42 0.020 0.020 340 450 21.055.0 40Cr 0.400.210.520.90 0.015 0.020 490 700 18.045.0 5 0.490.170.63- 0.02 0.02 510 760 19.047.0 30 Cr,MoV0.330.480.661.36- 0.660.28 0.0160.014 620 780 26.055.0 40MnNh 0.330.480.661.36- 0.60.28- 0.0160.014 620 780 26.055.0 32 SiMnMoV0.3l.581.81-- 0.420.29一0.006 0.01 720 850 22.558.2 0.29j1.111.051.071.57- 0,0050.028 1120 135015.352.5 30CrMn 1180 1440 14.651.0 SiNiz 1210 1620 13.750.5 1470 1760 11.948.2 40CrMn SiMo 0.391.27.0.911.25-0.50.01-0.0090.01 1620 196010.536.5 110

临界温度 , 氢起硬 化作用 。 如 果 杂质 含量升高 , 临 界温度也 上升 。 这 表 明 , 以 往对 铁单 晶实 验 结果 的分散性可能和纯 度有关 。 考虑 到预 裂纹 试样和 光滑拉伸试 样不 一样 , 在 裂纹前端存在 有应力梯度 , 三 向应 力以 及 塑 性 变形 区 。 因此 , 必须 研 究这些 因 素对 充氢试样表观屈 服强度的 影响 。 为此 , 我们 选用 了 带 有应力梯 度 的无 裂纹 弯曲试 样和预 裂纹 W O L 试样来研 究 氢对表 观 屈服 强度 的影 响 。 此 外 , 我们 也系统 的研 究 了钢 的拉伸强 度 , 进入 试样的氢 量 , 变形速 度 , 试 验温度以 及预先塑 性变形等因素对充氢试 样表 观屈服 强 度的影 响 。 实 验过 程 所用 钢种 的成 份 和性 能 见 表 1 。 拉伸试 样是 小10 的标准 拉伸试 样 。 三 点 弯 曲试样除 4 , C r M n s i M o 和 4 o M n N b是 l o x 2 0毫米外 , 其余全 部是 1 2 x l Z毫米的试样 。 在试样底边 贴 电阻 片 , 弯曲时同 时测 P 一。 (应 变 ) 和 P一 各 (加 载点位 移 ) 曲线 。 由两 曲线 开始偏 离直线 的 载荷 P s 可 算出屈 服应 力。 : = 6 P : B W ( 跨 距 S = 4 W ) 。 预裂 纹试样全 部是厚 为匆毫米的W O L 型 试样 。 在 试样表面 疲劳 裂纹前端贴 电阻片 , 拉 伸时同 时测 量 P 一。 和 P 一V ( 裂纹 张开 位移 ) 曲线 。 对来充氢 试样 , 用 P一。 曲线偏 离直 线点作临 界 值 , 充氢 后一 般 P 一 。 和 P 一 v 曲线 同 时开 始 偏 离直线 ( 相 差小于 10 % ) , 故 也 以 P 一 。 曲线偏 离直线 点作 临界 点 。 表 1 试验钢 的成份和 但屯能 一 ! 成 分 } Y . 5 } T . 5 { 、 …冲 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ · 只 _ _ !一 ` {少 } _ 三仁!下二!竺{上1竺l - _ 三_ 上 _ 里_ ,立兰 !二二兰{二 { 。 . 1 8 ,。 . 3 1… 。 . 5 1 1 一 … 一 … 一 }一 … 一 { 0 . 0 3 0 1 0 . 0 3 0 1 2。。 { ; 。。 { 2 3 . 。 ; 。 4 . 5 , 6 M · } 。 . 1 8 { 。 . 4。 ! 1 . 4 2 1一 … 一 { 一 { 一 } 一 … 。 · 。 2 0 1 。 · 。 2。 { 3 4。 { 、 6 0 1 2 1 · 。 } 5 5 · ” 4 o e r { 。 . 4。 } 。 . 2 1 0 . 5 2`。 . 。。 1 - 一 } 一 } 一 } 。 . 0 1 5 1 0 . 0 2。 } 4 ` 。 } ,。。 1 1 8 . 。 } 4 5 . 。 」 5 ! 。 . 4。 { 。 . 1 7`。 . 6 3… 一 1 一 …- 一 {一 … 0 . 0 2 … 。 . 0 2 … 5 1。 { 7`。 { 1 0 . 。 ! ; 7 . 。 一- _ 一 ~ ~ ~ _ ~ _ — ~ 一 — 一 一 — 一 一~ — 一 ~ — ~ 一 _ 一 一 — — 一 ~ ~ ~ — ~ ~ _ 一一 — ~ 一一 一一 一 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 3 o e · : M O v { 。 . 3 3… 。 . 4 8… 。 . 6 6 1 1 . 3 6 { 一 … 。 . 6 6 . 0 . 2 8 1 一 … 。 . 0 1 6 { 。 . 0 1 4 ` 6 2。 { 7 8 0 1 2 6 . 。 } 5 5 . 。 4o M · N } ) 画{ 石 一 几反} 云石反丽巨而吓!丁 一 石丁而阿…百存…丽}不不…痴而{ 牙 Zs i M · M ( ) v } 。 . 3: { t一 5 8 { 1 . 8 1 { 一 { 一 ! 。 . ; 2 { 。 . 2 9 { 一 「 。 . 。。 6 { 。 . 0 1 {万2 0 { 8。。 { 2 2 . 5 !而几 -一一10 . 29卜 . 1 1卜 . 可价币 一 卜 …: 一 阿词丽{ 1 1 2。 巨 3 5。 卜 5 · 下弓 … 。 ! ! 1 1 8 0 1 4 4 0 1 4 . 6 5 1 . 0 ! l } l … { l 一 1 2 10 1 6 2 0 1 3 . 7 5 0 . 三 } { } } } 17 6 0 1 1 . 9 4 8 . 二 } 0 . 3 9 一 1 . 2 5 一 { 0 . 5 0 . 0 1 0 . 。。。 { 0 . 。 1 1 . 2 7 . 0 . 9 1 1 10

对弯曲和预裂纹试样，选用8-9种充氢工.艺。如用H2SO,配制PH值分别为4.0,3.0， 2.0,0.1(1NH2SO,)的溶液，试样浸泡13小时，另外几种充氢工艺是在1NH,SO,溶 液（有时加0.1毫升/升CS2)中电解充氢，电流密度分别为0.2,2,5,20,50,80毫安/厘米2。 对三点弯曲试样，充氢时间为6小时。WOL试样充氢13小时（充氢？小时后间隔12小时，再 充6小时)，拉伸试样全部在1 N H2SO,中充氢6-8小时（电流密度40-60毫安/厘米2）。 横梁位移速度是1毫米/分（快加载)或0.01毫米/分（慢加载），试验温度约20℃。研 究形变速度和试验温度对表观屈服强度的影响时选用WOL试样，横梁位移速度为2,1， 0.15,0.07或0.01毫米/分，试验温度是15℃，-10℃，-30℃，-50℃，-70℃，-90℃， 和-110℃。 实验结果 1.光滑拉伸试样 不同钢种充氢前后o。.2（o或s)的比省见图1.20钢(T.S=400MPa)充氢后屈服强 度下降，但差值小于]0%。而且充氢后屈服点消失，如进行去氢处理，则屈服点往往能重 现，而月屈服点又回复到原来的值。 对40Cr和32 SiMnMoV钢，充氢前 后屈服强度改变不明显。但对30C MnSiNia和45钢来说，充氢后屈服 强度略有提高，但也不超过5-10%。 002 看来氢对光滑拉伸试样屈服强度的影 1,0 响是和钢种有关的，但可以说氢对屈 0,9 屈服强度的影响是不明显的（差值小 0.b 于10%)。 07 Steel ,9 应当指出，对T.S≥1700MPa 0.6 30CrMnSiM2 1620 的超高强度钢，在电解充氢过程中很 0. 32S1MnMoV 850 4号 750 容易出现以氢压机构形成的微裂 04 40Cr 700 纹【1，因此，在随后拉伸时很容易 0.3 20 400g 0.2 发生低应力脆断，测不出屈服强度， 0.t 断裂应力也明显低于未充氢试样的屈 服强度。 500 7000.2 2.三点弯曲试样 MPa 不同钢种充氢前后表观屈服强度 图1不同钢种光滑拉伸试样充氢前后的 相对屈服强度0。.2g。,2(充氢电流密度i= 随充氢条件的变化见图？，由图可知， 40-80毫安/厘米2，时间6~8小时)。 对T.S≤800MPa的三种钢(40Mn Nb、16Mn、20),即使严重充氢(i=50-80毫安/厘米2)，屈服强度也没有明显变化 (相差<10%)，但对超高强度钢(30 CrMnSiNi2,40 CrMnSiMo),充氢后屈服强 度。。◆/o。随充氢电流密度升高而迅速下降。严重充氢时可使os降低一倍。 图3表明，对超高强0 CrMnSiNi2钢(T.S=1620MPa,i=20毫安/厘米2)，如充 气后按正常速度加载，则σ：并不降低（曲线2)，如重新缓慢加载，则屈服强度明显下降 111

对弯曲和预裂 纹试 样 , 选 用 8一 9种充氢工 艺 。 如 用 H 2 5 0 ; 配 制 P H 值分 别为4 . 。 , 3 . 0, 2 . 0 , 0 . 1 ( I N H : 5 0 ` ) 的 溶液 , 试样 浸 泡 1 3 小时 , 另外 几种充氢 工 艺是在 I N H : 5 0 ` 溶 液 (有时加 0 . 1毫 升 /升 C S Z ) 中 电解充 氢 , 电流 密度 分别 为0 . 2 , 2 , 5 , 20 , 50 , 80 毫安 / 屋米 : 。 对三 点弯 曲试样 , 充氢 时 间为6 小 时 。 W O L 试 样充 氢 1 3小时 ( 充 氢 7小 时后 间 隔1 2小时 , 再 充6小时 ) , 拉伸 试样全 部在 I N H Z S O ` 中充氢 6一 8小 时 ( 电流 密度 4。一 8 0毫安 /厘 米 2 ) 。 横梁位 移速 度是 1毫 米 /分 ( 快 加载 ) 或 0 . 01 毫 米 /分 ( 慢加载 ) , 试验 温度 约 2 0 ℃ 。 研 究形变速度 和 试验 温 度对 表 观 屈服 强 度 的影 响时 选 用W O L 试 样 , 横梁位 移 速度为2 , 1 , 0 . 1 5 , 0 . 0 7或 0 . 0 1毫米 /分 , 试 验 2枝 度是 15 ℃ , 一 ] o ℃ , 一 3 0 艺 , 一 50 ℃ , 一 7 0 ℃ , 一 9 0 ℃ , 和 一 1 10 ℃ 。 实验 结果 1 . 光 滑拉 伸试样 不 同钢种 充氢前后 a 。 . 2 ( a 或 s ) 的 比 直见 图 l 。 20 钢 ( r . s 二 4 0 M P a ) 充氢 后 屈 服 强 度下 降 , 但差 值小 于 0] % 。 而 且充 氢后 屈 服 点消失 , 如 进行 去氢 处理 , 则 屈 服点往往 能重 现 , 而且 屈服 点又 回复到原 来 的值 。 几 : Oa 士 一 8 1 6 2 0 . 竺.a0.,09.76 二,O0 ’..0,.20 . .01 对 4 0皿 r和 3 2 5 i M n M o V钢 , 充氢前 后 屈服 强度 改 变 不 明显 。 但 对 30 C r M n s i N i : 和 4 5钢色来 说 , 充 氢后屈服 强度略有提高 , 但 也不超 过 5一 10 % 。 看 来氢对 光滑 拉伸试样 屈 服强 度的影 响 是和 钢种 有关的 , 但可 以 说氢对 屈 屈服强 度的影 响 是不明显 的 ( 差 值小 于 1 0 % ) 。 应 当 指 出 , 对 T . S > 17 0 0 M P a 的妞高强度钢 , 在 电解充氢 过 程 中很 容易 出现 以氢 压 机 构 形 成的 微 裂 纹 t注 l , 因 此 , 在 随后 拉 伸时 很容 易 发生 低应力脆断 , 测不 出屈 服 强度 , 断裂 应 力也 明显 低 于未充氢 试 样 的屈 服 强度 。 2 . 三 点有曲 试样 不 同钢 种充 氢 前后 表观屈 服 弧度 随充氢 条 件的变化 见 图 2 , 由图可 知 , 对 T . S 三8 0 0 M P a 的 三 种 钢 ( 4 0 M n S t e . 1 , 呱川n s l暇 2 , 2 5 1妞心 o V 4 , 4 0 Cr 2 O 扩 0 。 2 扭 P. 图 1 不 同钢种 光 滑拉 伸试 样 充氢 前 后 的 相对 屈服 强 度 a 。 . : / a 。 . : ( 充 氢 电流 密度 i 二 4 0一8 0 毫安 / 厘 米 2 , 时 间6 ~ 8 小 时 ) 。 N b 、 16 M n 、 20 ) , 即 使 严 贡 充氢 ( i = 50 一 80 毫安 /厘 米 , ) , 屈 服 强 度 也没 有 明 显 变化 ( 相差 < 1 0 % ) , 但对 超 高 强 度 钢 ( 3 0 C r M n s i N i : , 4 0 C r M n s i M o ) , 充氢 后屈 服强 度a : ./ a , 随 充氢 电流 密度 升高而迅 速下降 。 严重 充氢 时 可使 a : 降低 一倍 。 图 3 表明 , 对超 高 强 3 0 C r M n s i N i Z 钢 ( T . S = 16 2 0 M P a , i = 2 0毫安 /厘 米 2 ) , 如 充 氛后按正 常 速度加载 , 则。 s 并不 降低 ( 曲线 2 ) , 如重 新缓 慢加载 , 则屈服 强 度明显下降 11 1

P 1.0 0000 0,9 0.8 0,7 20000 0. 0.5 0.4 3t091 ,8 4 Crn91● 1%0 0.3 30c9142 1620 10000 40a3 800 0.2 16 430 4 20 4009 No Condition 1beforo oharging t.0 2 fast londed after cbarging elow loaded afte?charging 0 t寸20T0.110.101010.1 4 slow londed after charging 1(/o)t00000213205080 :国2无裂纹弯曲试样充氢前后的表 图3无裂纹弯曲试样在不同试验条件 观屈服强度口，◆/σs随强度及 下的P-e曲线(30 CrMnSiNi2 充氢条件的变化 钢T.S=1620MPa) 曲线3)。试样的另一半去氢处理后(280℃，24小时)缓慢加载，则屈服强度又回到未充氢 前的值（曲线4）。这就表明。氢使屈服应力下降的效应是由氢的扩散过程所控制的，而且 是可逆的。 为了研究预先存在的塑性区对氢致屈服应力下降的影响，对三点弯曲试样，加预载荷 0/σ：=0,1.3,1.9◆，然后在相同条件下充氢。结果表明，充氢后的屈服强度并不受预载荷 的影响（图4）。因为当σ/a。=1.3时试样已明显弯曲，在最大载荷处已有明显的塑性变形。 随后的实验也表明，如充氢后过载（快速或慢速）到σ=2σs,然后再缓慢加载，其σ，◆和不 过载测出的相同。这些结果表明，最大应力处预先是否存在塑性区对氢致表观屈服强度的影 响不大。 3.预裂纹试样 对于预裂纹试样，裂纹前端应力场为12： .cosg(1年i血号n&0) 0x=-7 0 Gy v 2V (1) Txy=K/2xr sin-sin coB-2 0 实验表明·2，对超高强度钢，刚加载的塑性区以及随后的氢致滞后塑性区和裂纹成 45°（图5），通过坐标交换可获得沿该方向的分切应力为： “对弯曲试样拉伸边的局部应力可远大于用光滑拉伸试样测出的断裂应力 112

全 一 一 一 飞 一 二 一 } I ” B : . 1 _ l 对 一 一 一一 。一 I 、 。 0 0 0【 一。 一, 一一 一 寿卜.0 刁以叶犷卜 月省尸` : 0 0 。 2 , . 0 0 3 t二1 4汉油 曲止 盏翻比 , 0C 公. 。 “ 气 4口臼 肠 ,翻 . 2 0 公二 ,肠. 跳 ,倪 0 . . 0 0 口 4 , 0 二 4 0 0 0 , OO QO .’.0.505 / 一 司 }/ / / 。 。 , 址一一止— Z - . 0 , 一 1一 1 0曰 一d 公 t 一户 e h 一 r月I n g : (以 z 。 沪 ) : o 图 2 2 0 一 , o 一 , ` . , o 一 , o 一 , o 一 , 0 0 0 一 2 1 , 2 0 , o 5 1 0一 1 0 目一d 公 t e r c卜一 r 目生 . t 无 裂纹 弯曲试样充氢前后 的表 观 屈服 强度 a : . / a : 随 强 度及 充 氮条 件的变化 图3 无 裂纹 弯曲试 样在不 同试验 条件 下 的 P 一 。 曲线 ( 3 0 C r M n s i N i : 钢 T . 5 = 1 6 2 0 M P a ) 曲线 3) 。 试 样 的 另一 半去氢处 理后 ( 2 8 0 ℃ , 24 小时 ) 缓 慢加 载 , 则屈服 强度又 回到未充氢 前 的值 ( 曲线 4) 。 这 就 表 明 。 氢使 屈服 应力 下 降 的效 应是 由氢 的扩 散过程所控 制的 , 而且 是 可逆 的 。 为了研究预 先存 在 的塑 性区对氢 致 屈服应力下 降的 影 响 , 对三 点 弯 曲试祥 , 加预 载荷 a / a : 二 o , .1 3 , 1 . .9 , 然后在 相 同条件下充氢 。 结果 表 明 , 充氢 后 的屈服 强 度并不受 预载荷 的影 响 ( 图 4) 。 因为当 a / a 。 二 1 . 3 时试样 已明显弯 曲 , 在最 大载 荷 处 已 有明 显的 塑性变形 。 随后 的实验 也表 明 , 如充 氢后 过 载 ( 快 速或 慢速 ) 到 a = Z a s , 然后 再 缓慢加 载 , 其 u : . 和不 过 载测 出的 相同 。 这 些结果 表 明 , 最 大应力处预 先是否存在 塑 性区对氢致表观屈 服强度的影 响不大 。 3 一 预 裂故试样 对 于 预裂纹 试样 , 裂 纹前 端应 力场 为 〔 ’ “ 1 : 知 〔 1 、 ia n 借 一 ia n 八”二自, 珍 · 一 一物 侧 一一 (T x o 丫 ( 1 ) _ _ _ _ 0 3 0 0 丫 : y = 八 l/ 斌 艺 北 r is n - 不万 is n o e 。 日 一 。 乙 “ 实验 表 明 ! “ 2 ] , 对 超 高 强度钢 , 刚加载 的塑性 区 以 及 随 后 的 氢 致滞 后塑 性区 和 裂纹 成 4 5 “ ( 图5) , 通过 坐标交换可 获得 沿 该方 向的分 切应 力为 : 对弯 曲试样 拉伸边 的局部应 力可远 大于 用光 滑拉伸试 样测 出的断裂应力 4 12

.0 0,9 0.7 0.6 0. 04 charging condition i(mA/cm)tise(hr.) 80 6 0. 20 64 6 0.2 20 0 6 a PH-2 6 1,0 2.0 6/6s 图4无裂纹弯曲试样在不同条件下充 图5超高强度钢裂纹前端氧 氢后的相对屈服应力σs/可，和 致滞后塑性变形和氢致 预应力口/σs的关系。 裂纹的关系 (30CrMnSiNi,T,S=1620MPa>-(30CrMnSiNi2,T.S=1620MPa) t=号(o,-0x)in29+tvo020=0.328√2t (2) 我们认为，当裂纹前端足够大的距离内（「一定），t都等于材料的表观屈服强度时氢致滞 后塑性变形就将发生而且P-e和P-V曲线将偏距直线（图6）。对WOL型试样 K:-B/WF(W) (3) 因此产生滞后塑性变形的表观屈服应力就和P-ε曲线偏离直线处的临界载荷P:成比例，即 0,328,F(W)。 2xre‘BVWP: Tc=- (4) 对未充氢的试样，当P-ε曲线偏离直线时，在抛光的试样表面上也可看到裂纹前端存在塑性 ,区，因此，P-ε曲线转折点的载荷就和试样表面（平面应力条件）塑性变形开始的表观屈服 来，应力：成比例。因此同一试样充氢前后观现屈服应力之比为： F(-W)Pe "a◆ T/Tc=--- (5) F(0)P 对30 CrMnSiNi2A钢(T.S=l6.20.MPa),在不同充氢条件下P-e和P-V的曲线示意如 113

加 , ·叶 牙 一 - 名- 十- -一 共 . . ~ - ~ 一一 · · 一 一明尸 . . - . . - 民 _ . 民 -一一一 - 1 O 。 2 O 一 , c梦今 r 誉毛 . 9 2泛 o n 人 ` 用几 I 〔 口 少 呼毛 已0 2 0 , 2 O O P H . 2 1` 1 0 . 1血 (匕r . ) 6 . “6 . , 况 6 自 6 . ’.0.0.0 目J 4 户, … 0 , · o 即` : 2 · o 图 4 无 裂纹弯 曲试 样在不 同条件下 充 氢 后 的相对屈服 应 力 a : . / G : 和 预 应 力 。 / a : 的关系 。 ( 3 0 C r M n s i N i : , T . S 二 1 6 2 e M P a ) 图 5 超 高强度钢裂纹 前端氮 致滞后 塑性变形 和氮致 裂纹 的关 系 ( 30 C r M n s i N i : , T . S 二 1 6 2 0 M P a ) : = 一 冬( 。 , 一 。 : ) ` n Z。 + : : , , 2。 = 。 . 3 28 : 廷 ; 二 一 ` ` V 乙 兀 f ( 2 ) 我们认为 , 当裂纹前端足够大的距 离内 ( r 一 定 ) , T 都等于 材料的 表观 屈 服强度时氢致滞 后塑 性变形就 将发生而且 P一。 和 P一 V 曲线 将偏 距 直线 ( 图 6) 。 对 W O L 型试 样 P _ _ a 人 : = f r ~ , 二 百若奋= 厂 ( 一石 ; - O V 、 V 一 V V ( 3 ) 因此产 生滞后塑 性变形的表观屈服 应力就和 P一。 曲线偏 离直线 处的临界载荷 P 。 成 比例 , 即 0 , 3 2 8 7 万蕊子丁 ( 4 ) · 一F ` 、J w B 记下丙 一 扮终几 对未充氢 的试样 , 当 P一。 曲线偏 离直线 时 , 在抛光的试样表面 上 也可看 到裂纹 前端存在塑 性 区 , 因此 , P一。 曲 线 转 拆点的载 荷就和试 样表面 ( 平 面应 力条件 ) 塑 性变形开 始的 表 观屈服 诫力 : 成比 例 。 因 此 同一试 样充氢 前后 观屈 服应 力之 比 为 : F ( - : t / : 。 = 云厂 ) P V y ( 5 ) ) P 。 F ( 4 ~ 、 对 3 0 C r M n 5 i N i Z A 钢 ( T . S = 1 6 . 2 o . M P a ) , 在 不 同充氢 条件下 P一。 和 P 一 V 的 曲线示 意如 1 1 3

◆ 图6氢致滞后塑性变形和氢致裂纹的关系(30 CrMnSiNi2T.S=1620MPa) 30000 P-e P-V 20000 3 NO PH 5 6 10000 20.0 0 图7 WOL试样在各种充氢条件下的P-e和P-V曲线(30 CrMnSiNi2A.T.S=I620MPa) 114

班伯ù麟燕潇 骥 裸 粼 图 6 氮 致滞后 塑性变形 和氮致裂纹 的关 系 ( 3 o C r M n s iN i Z T . S = 1 6 2 0M P a ) `,2 } p 3 00 0卜N P 一 ￡ 卜V 尸 。0 。 .20.0tr.602( .’l 6 -7 ,85 昭比队卜衍一 2 00 0 0 1 00 06一 I 、 o , P H嗓吞 1 卜尸口 几`盖,舀几, 民.042 .0 心7458 一巴V W O L 试 样在 各种充氢 条 件 下 的 P 一 。 和 P 一 V 曲线 (3 O C r M n 5 i N i Z A . ’ r . S = 1 6 2 0 M I , a )

1.01. 0.9 Stees T.S 1760 1620 0.8 30crn3112 0.7 30Cr2MoY 780 16Mn 4500 0. 0.4 0. 0.1 fa: T寸王T010T0TT10T 1(m/0m2):00000.217205080 图8 WOL试样充氢前后表观屈服强度比t◆/T:随光氢条件和强度的变化。 F 说t N /8-4 30000 1.04 1-110℃ -90℃ 8-3 P-e P.V 83 ◆ 0.8时 8 -70℃ 0 20000 -50℃ 日品 NO 0.6} -15C 8-2 8-1 20 3 8-2 2 27 8-1 0.4 发C 10000 .8-1 8-28048 -8 0 -30 0.2 -50 台 -110 0.01 0.070.15 0.5 图9WOL充氢试样在不同去氢条件 图10横梁位移速度对氢致表观屈廠 下的P-e和P-V曲线(30CrMn 强度下降的影响(30 CrMnSi SiNia,A.T.S=1620MPa) Ni2,T.S=1580MPa) 115

: l 。 - 巴 . ~ - 一 . .J ` . - 一 ~ S t e . 1 了 。 S 二二皇吕: , OC心 1 . 1 2 1今孟名: , OC r 沪 o , , 8 0 ` 一 , 6日。 4 , Q D 七 . } } ’ : · : 卜 . 嘴 二. 一( . ` 2 0一 2 ) : 0 0 0 0 0 . 2 , 2 0 , 0 . 0 图8 W O L 试 样充氮前 后表现屈 服 强度 比 T C 牵 / : 。 随充氢条件 和 强 度 的变 化 。 t盆.fI -8 4 日闷 悦P 1 。 0 护 · 匕 十3 护 · V 8-3 0 。 色 万!卉 0 . 6 8-2 8一 2 马 8 一 1 0 。 4 0 305071509 户二..0 10 ùù户口l 327 720 即20 拐 280 丝时--s153 . -54 卜工 温 度 。 C 加0 50210 0 . 2 0 0丙 7 0 。 15 0 一 5 1 2 乙工V 图 9 W O L 充氢 试样在 不 同去氢 条件 下 的 P 一。 和 P一 V 曲线 ( 3 O C r M n 5 i N i : , A . T . S = 1 6 2 0 M P a ) 0 。 01 图 1 0 横 梁位 移速 度对 氮 致表 观 屈服 强 度 下 降的 影 响 ( 3 0 C r M n S N i : , T . 5 = 1 5 8 OM P a ) 1 15

日o 1.0 w=1-2 0.8 2000 v=0.01 ￥0,5 0.6 v=1 v=0.01-0.07 1000 0.4 迷度 0.01-0,07● y=0.01老米/分 0.5 0.2 1-2 -110-90-70-50-30-10·1030 度℃ 图11试验温度对氢致表观屈服强度下 图12加载速度对充氢试样P-e曲线的影响 ,降的影响.(30 CrMn SiNi2, (30CrMnSiNi2,T.S=1620MPa T.S=1580MPa) i=20毫安/厘米2，"t=13时)： 图7，由此可获得t:·/τ：。不同钢种不同强度级别试样的τ：*/τ随充氢条件的变化见图 8。当T.S≤800MPa时，在现在的充氢条件下，充氢后表观屈服强度没有变化，在试样表 面也不产生滞后塑性变形。如果T,S≥I350MP,则te◆/re随进入试样氢量增加而急剧下 降。超高强钢严重充氢时可使表观屈服强度降低10倍。这个结果是和以前金相跟踪观察以及 K,n或K:sc随试验环境及试样强度的变化相一致的2。 图9表明，充氢后的试样随氢量的逐渐消除（室温放置27和720小时，280℃回火48小 时)，由P-e和P-V曲线上测得的t:◆值也逐渐上升到充氢前的tc值，这一点是和无裂纹三 点弯曲试样一致的。 4.·应变速度和试验温度的影响 用30 CrMn SiNi,钢(T.S=1580MPa)的WOL试样系统的研究了变形速度和试验温 度对氢致表观屈服强度下降的影响，所有试样都是充氢6小时(1=20毫安/厘米2)，裂纹前端 贴电阻片，：然后用快干橡胶密封以便能在低温溶剂中记录出'-ε曲线。 t:◆/τc随横梁位移速度和试验温度的变化分别表示在图10和11。当横梁速度V≥1毫米 /分后，“在所有的试验温度下，充氢试样的表观屈服强度均不降低。但当横梁位移速度小于 某个临界值（它和试验温度有关)之后，表观屈服应力随位移速度降低而下降。图11表明， τ。/τe随试验温度下降而升高，当温度T≤-90℃时即使慢加载，充氢试样的表观屈服强 度也不降低。 116

. 弓 加 ` 几 , 月 自 叫 ’ 二 _ 。 . ` U ` 目 一 日 , 一 1 ~ 若 、 、 - . 一 v 七 。 . 5 一 ~ 、 、 ` ; 甘 三 , 0 . 0 7 : . 速度 0 。 0 1一 0 。 0 7 . 0 . 5 0 I 一 2 办 v = 0 。 0 1 v = 0 。 0 1毫米l 分 沮度 。 C 图1 1 试 验温 度对氮 致表观 屈服 强 度下 降 _ 的婚响 _ (旦QC 厂M n S I N i Z , T . 5 二 1 5 8 0 M P a ) 图1 2 加 载速 度对 充氢试 样 P 一 。 曲线的影 响 ( 3 0 C r M n s i N i : , T . S = 1 6 2 0 M P a 一 i 二 2百毫安 /厘 米 2 , “ 飞 一 三 13 时) · 图 7 , 由此可 获 得 : 。 . / : 。 。 不 同钢种不同 强度级 别试 样 的 : 。 辛 / : 。 随充氢 条件的 变 化 见图 8 。 当 T . s 三 8 0 0 M P a 时 , 在 现在 的充氢 条件下 , 充氢 后表观 屈服 强 度没 有变化 , 在 试样表 面 也不 产生滞后 塑性变形 。 如果T 一S 七 1 3 50 M P a , 则 T 。 州 T 。 随进 入试 样氢 量增加而 急剧 下 降 。 超 高强钢严 重 充氢时可使表观屈 服 按度降低 1 0倍 。 这个结果 是和 以 前金 相跟 踪观 察 以 及 K : 、 或 K : : 。 。随试验环境 及 试样 强度的变化相 一致 的 L, · 。 图 9表明 , 充氢 后 的试样 随氢 量 的 逐渐消除 ( 室 温放 置 27 和 72 叼 、 时 , 28 0 ℃ 回火 48 小 时 ) , 由 P一 。 和 P 一 V 曲线 上测得 的 T 。 . 值也逐渐上 升 到充氢 前 的 : 。 范 , 这一 点是 和无裂 纹三 点弯 曲试 样一致 的 。 4 . 应变 速度和 试验 温度 的影响 “ 用 3 0 C r M n 5 i N i : 钢 ( T . S = 15 8 O M P a) 的 W O L 试样系统 的研究 了变形速 度和 试验 温 度 对氢致表 观屈 服强度下 降的影 响 , 所有试样都是 充氢 6小 时 ( i = 20 毫安/厘米 “ ) , 裂纹前端 贴 电阻 片 、 : 然后用 快干 橡胶密封以 便能在 低温溶剂 中 记录 出 I , 一 。 曲线 。 ` 。 . / , c 随 横梁位移 速度和 试验 温度 的变 化分别 表示 在 图 1 0和 1 1 。 当 横梁速度 V 》 l 毫米 /分无式 ’ 在所有钓试验温度艺 一 充急斌样 的 表观屈报强渡 如 均不 降低 二 胆当横梁位移速度小 于 某个临界值 ( 它 和试验 温度有关 ) 之 后 , 表观屈 服应 力随 位 移速 度降低而 下降 。 图 1 表 明 , T 。 ./ T 。 随 试验 温 度 下降而升 高 , 当温 度 T 三 一 90 ℃ 时 即使慢 加载 , 充氢 试 样的表观 屈服 强 度 也不 降低 。 1 16

结果讨论 实验表明，当试样中存在应力梯度（如无裂纹弯曲试样），而且当钢的强度及进入试样 的氢量超过临界值之后，氢能明显的降低试样的表观屈服强度从而导致在较低的K,作用下 就能产生滞后塑性变形。充氢试样表观屈服强度的下除和充氢过程中产生的微裂纹无关，理 由如下： 1,对弯曲试样和预裂纹试样，充氢后的表观屈服强度明显依赖加载速度和试验温度 (图3.10.11)，故它是由氢原子的扩散过程所控制的。知果是预先存在的微裂纹导致'-ε曲线 过早的偏离直线，则就不会和加载速度以及试验温度有关。此外，实验表明，对超高强度 钢，如充氢后存在有可见的氢压裂纹，则无论是光滑拉伸试样还是无裂纹弯的试样均发生低 应力脆断，测不出屈服强度。 2.实验也表明，随着充氢试样中的氢被逐渐去徐，灿服应力又逐渐回到大充氢试样的 数值（见图3和9），这也是不能用存在微裂纹来解释的。 3.图6的WOL试样充氢后抛光，用200倍显微镜检查试样表面，看不到氢压裂纹（图 6-1)。缓慢加载，当P-ε曲线开始偏离直线（表观屈服应力下降，图6-2），同时产生滞后 塑性变形（图6-3）后立即卸载，试样氧化染色(350℃，1小时)，快速拉断后，在断口上 沿整个疲劳裂纹前沿看不到有任何新产生的氢压裂纹或氢致滞后裂纹（图6一4）。这就表 明，氢致表观屈服强度下降以及氢致滞后塑性变形和预先是否存在氢压裂纹无关。但如充氢 试样在图6-2的B点停留15分钟，则在试样表面和断口上（图6-5）都可看到氢致滞带后裂纹， 它是由于氢致表观屈服强度下降和氢致滞后塑性变形所造成的。这也表明，氢致表观屈服强 度下降和氢致滞后塑性变形是氢致滞后裂纹的先决条件。 关于高度浓集的氢能使屈服强度明显下降的原因，目前并不很清楚。但应当指出，下面 两个重要的实验事实可能是新理论的基础。 1.氢致表观屈服强度下降是一个由氢的扩散所控制的过程。如允氢后试验温度很低， 加载速度又很快，以致使氢在应力梯度诱导下扩散和浓集的过程跟不上应变速度，则表观屈 服强度就不会降低。此外，氢致表观屈服强度下降是可逆的。慢加载使表观屈服强度下降从 而产生滞后塑性变形(P-ε曲线偏离直线)后，如突然升高加载速度，则氢致滞后塑性变形过 程停止，P-ε变成直线，如再慢加载则又能产生滞后变形（图12）。这就表明，为了使氢致表 观屈服强度下降（即氢致滞后塑性变形）过程继续有效，必须要使氢的扩散和富集跟上塑性 变形的发展。 2.实验也证明氢致表观屈服强度下降和预先塑性变形无关。特别是，如果充氢后快加 戴或慢加载超过σs产生加工硬化，卸载后慢加载所测得的σ，帝和未过载条件测得的一样。这 就表明，氢致表观屈服强度下降和原始变形量以及原始位错结构关系不大。 根据这些实验事实，一种可能的氢使表观屈服强度下降的机构如下所述。在应力梯度作 用下，原子氢能扩散并富集在裂纹前端区域，当有效氢浓度达到临界值时将会形成类似于 Fujita【13所提出的“氢气团”，它能产生高的内压。这个压力并不能使原子面分离从而 形成徽裂纹，相反，它协助外载荷产生局部塑性变形。因此，虽然材料的真实屈服强度并没 有明显改变，但由于“氢气团”内压的贡献，产生塑性变形所需要的外应力（即表观屈服强 度)就能明显下降。因为“气团”的产生需要时间，所以裂纹前端塑性变形需要孕育期，且 117

结果 讨论 实验表 明 , 当试 样中存在应力梯度 ( 如 无裂 纹弯 曲试样 ) , 而且 当钢 的强度 及进 入试 样 的氢 量超 过临界值 之后 , 氢能 明显 的降低试样的表 观屈 服 强 度从 而导致在 较 低 的 K : 作用 下 就能产生 滞后 塑 性变 形 。 充氢 试样表观屈 服 强度 的下 降和 充氢 过程 中产 生 的微 裂纹 无 关 , 理 由如下 : 1 . 对弯 曲试样和 预 裂 纹 试样 , 充氢 后 的 表 观屈 服 强 度 明显依 赖加 载速 度和 试 验温 度 ( 图 3 . 1 0 . 1 1 ) , 故它 是 由氢原 子的扩 散过 程所控 制 的 。 如果 是 预先存在 的 微裂 纹 导致 P 一 。 曲线 过早 的偏 离直线 , 则就不 会和 加载 速 度 以 及 试验 温 度有关 。 此 外 , 实验 表明 , 对超 高强 度 钢 , 如 充氢后 存在 有可见 的氢压 裂 纹 , 则无 论是 光滑 拉伸试样 还是 无裂 纹 弯曲 试样均发生 低 应力脆 断 , 测 不 出屈服 强度 。 2 . 实验也 表 明 , 随着 充氢 试样中的氢 被逐 渐去 除 , 屈 服应力又 逐渐 回 到未充氢 试样 的 数值 ( 见 图 3 和 9 ) , 这 也是不 能 用存在微 裂 纹来解释 的 。 3 . 图 6的 W O L 试样充氢后 抛光 , 用 2 0 倍显 微镜 检查 试样表 面 , 看不 到氢 医裂纹 ( 图 6一 1) 。 缓 慢加载 , 当 P一。 曲线 开始偏 离直线 ( 表 观屈服 应 力 下 降 , 图 6 一 2) , 同时 产生滞 后 塑 性变形 ( 图 6一 3) 后 立即卸载 , 试 样氧化染 色 ( 3 5 0 ℃ , 1,J 、 时 ) , 快速 拉断 后 , 在 断 口 上 沿 整个疲 劳 裂 纹前沿 看 不 到有任 何新产 生的氢 压 裂纹或 氢 致滞后 裂 纹 ( 图 6一 4) 。 这 就 表 明 , 氢 致表 观屈 服 强度下 降以 及 氢致滞后 塑性变形和 预先是 否 存在氢 压裂 纹无 关 。 但如充氢 试样在 图 6一 2的 B点 停留 15 分钟 , 则 在 试样表面 和 断 口 上 ( 图6一 5) 都可 看 到氢 致滞后 裂纹 , 它是由于氢 致表 观屈 服强 度下 降和氢 致 滞后塑性变形所造成 的 。 这 也 表明 , 氢 致表 观屈服强 度下降和氢致滞 后塑 性 变形是氢 致滞后 裂纹的先决 条 件 。 关于高度浓集的氢能使 屈服强 度明显下降的原 因 , 目前并不很 清楚 。 但 应 当指 出 , 下 面 两 个重 要的实验事实可能 是 新理 论的基础 。 1 . 氢致表 观屈 服强 度下 降是一 个由氢 的扩散所控 制的过 程 。 如 充氢后 试 验温 度很低 , 加载速 度又很 快 , 以 致使 氢在 应力梯度诱 导下 扩 散和 浓集的过 程跟不上 应 变速 度 , 则表 观屈 服强度就不会降 低 。 此外 , 氢致表 观屈 服强度下降是可 逆的 。 慢加 载使表 观屈 服 强度下降从 而产 生滞 后塑 性 变形 ( P一。 曲线偏 离直 线 ) 后 , 如突 然升 高加 载速 度 , 则氢 致滞后 塑 性 变形 过 程停止 , P一。 变成直线 , 如再慢加载则又能 产生 滞 后 变形 ( 图 12 ) 。 这 就表 明 , 为了使氢 致表 观屈 服强度下 降 ( 即氢 致滞后塑 性变形) 过程 继续 有效 , 必须 要使 氢 的扩散和富 集跟 上塑 性 变 形的发展 。 2 . 实验也证明氢致表 观屈服 强度下降和预 先塑性变形无 关 。 特 别 是 , 如 果 充氢后 快加 救或慢加载超 过 a 。 产生加工 硬 化 , 卸载后慢加载所 测得 的 a 、 带 和未过 载条件 测得 的一 样 。 这 雄表明 , 氢 致表 观 屈服 强度下 降和原始 变形 量以 及原始 位错 结构关系不大 。 担据这 些实验事实 , 一 种可能 的氢 使表观屈 服强度 下降的机构如下所述 。 在应 力梯度作 淆下 , 原子氢能 扩 散并 富 集在 裂 纹前端 区域 , 当有 效 氢 浓度达 到 临界值 时 将 会形 成 类似于 F 叼 i at t ` 3 ,所 提 出的 “ 氢 气 团” , 它 能产 生 高的 内压 。 这 个压力 并不 能使原 子面 分 离从而 形成微 裂 纹 , 相反 , 它 协助 外 载荷 产生 局 部塑 性变 形 。 因此 , 虽然材 料 的真 实 屈服 强度并 没 有 明显改 变 , 但 由于 “ 氢 气团 ” 内压 的 贡 献 , 产生塑 性 变形所 需 要 的外应 力 ( 即表 观屈 服 强 度) 就能 明显下 降 。 因 为 “ 气团” 的产生需 要时 间 , 所以 裂 纹前端 塑 性变形需要 孕 育期 , 且 1 17

随时间增长而逐海发展，故称为滞后塑性变形。因为“气团”是由氢的扩散控制的，这就可 解释温度和形变速度的影响。各种可逆行为也可用“气团”的可逆性来解释。由于气团的内 压很大，而且它和原始塑性变形条件以及位错结构无关，故充氢试样的表观屈服强度和原始 位错结构无关。 颗便指出，严重电介允氢时原子氢形成分子氢所产生的巨大内压能使原子面介理并产 生微裂纹。但这类裂纹的形核和扩展并不涉及宏观塑性变形而且能在无外应力作用下产 生21。一旦停止充氢，即使在加载条件下这些徽裂纹也不再产生和扩展。 1 由于应力梯度引起的诱导扩散，在最大流体静应力cH=3(0x+0y+口z)处的氢浓 度可能比平均氢浓度要大几个数量级，即浓度分布为： C。=COEXp(gHVH/RT) 可以认为，只有当最大三向应力附近的有效氢浓度均大于临界值后才能使局部材料的表 观屈服强度有明显的降低。局部地区的有效氢浓度由进入试样的平均浓度C·和最大流体静 压力σH来决定。在不同充氢条件下进入试样的平均浓度Co不同从而C。也不同，这就可解释 氢致表观屈服强度下降强烈依赖充氢条件的实验现象（图2和图8）。 因为裂纹前端存在三向应力，且有应力集中，各应力分量σx,σy,σ：远大于外加应力 (方程2)。因此，预裂纹试样的σH远比无裂纹弯曲试样要高。这就可解释为什么预裂纹试 样的氢致表观屈服强度下降效应远比无裂纹弯曲试样要明显（比较图8和图2）。例如对T.S =1620MPa的30 CrMnSiNia钢，预裂纹试样浸在PH=2的溶液中充氢就能使tc◆下降，严 重充氢时τ◆下降83%。但对无裂纹弯由试样，浸在PH=0.1的溶液中仍不能使o,◆下降， 严重充氢时只使σ，◆下降50%。至于光滑拉伸试样，由于不存在应力梯度，试样各处的浓度 C。=C0,它并不能大到足以使¤。明显下降，从而也不能产生滞后塑性变形。 图2和图8的实验表明，钢的强度对氢致表观屈服强度的下降有很大影响，对裂纹试样可 以作如下的解释。按米塞斯屈服判据，在平面应变条件下裂纹前端塑性区边界为121 R=g(}n0+1-2vy(1+os0） (7) 不考虑加工硬化，且认为塑性区中的应力就等于弹性边界处的弹性应力，由方程(1)得 hs1cm++g,)=C1v)（gx+gy)=3人·)=Co82 1 OH=- 3 (8) 3 "V2πr 当r等于塑性区边界R(由7式给出)时，就得塑性区中流体静压为 0 0H=2(1+v)c:. c082 (9) 3π in29+(1-2v)(1+co80)量 (3 从滑移线方程出发可得【· oH=ad;(In(1+r/p)+-2) 其中P是裂纹顶端半径，α是考虑加工硬化而引进的参数。总之，强度愈高，在相同条件下 σH愈高，从而局部氢浓度也愈高，这就可解释裂纹试样随强度升高，T。◆/τc急剧下降的事 实。 118

随时间增长而逐渐发展 , 故称 为滞后 塑性变形 。 因为 “ 气团” 是由氢的扩散控制 的 , 这 就可 解释温度 和形变速度的影响 。 各种可逆行 为也可 用 “ 气团” 的可 逆性来解释 。 由于气团的 内 压很大 , 而且它 和原始塑 性变形条 件以 及位 错结构无 关 , 故充氢试 样的表 观 屈服 强度和 原始 位错结构无关 。 顺便指 出 , 严 重 电介允 氢时原子 氢形 成 分子 氢所 产 生 的 巨大内压能 使原 子 面介理 并产 生微 裂 纹 。 但这 类裂纹 的形 核 和扩 展并不涉 及宏 观塑性 变形而 且能在 无 外应 力作用 下产 生 』 么 l 。 一旦停止 充氢 , 即 使在加载条件下这 些微 裂 纹也不再产 生 和扩展 。 . _ 、 _ 、 , 、 , _ , _ _ . , _ 二 、 , 一 , 、 _ 。 , . ~ . 、 、 , , “ _ 、 . 1 二 , . _ 、 , _ 由于 应力梯度 引起 的诱 导扩 散 , 在 最 大流 体静应力“ H = -言 - ( “ · + 。 , + 。 : ) 处的 氢浓 度可能 比 平均氢 浓度要大几 个数量级 , 即浓度分 布为 : C 。 二 C o : : p ( a H V 。 / R T ) 可 以认为 , 只有 当最大三 向应力附近 的有效氢浓度均大于 临界值后 才能 使局 部材料的表 观 屈服强度有明显的降低 。 局 部地 区的有 效氢 浓度由进 入试 样 的 平均浓 度 C 。 和 最大流 体静 压力 u 。 来决定 。 在不同 充氢条件下 进入 试样的 平均浓度 C 。 不 同从 而 C 。 也不同 , 这 就可 解释 氢致表 观屈服强 度下降强 烈依 赖 充氢条件的实验现象 ( 图 2和 图 8) 。 因 为裂纹前端存在 三 向应 力 , 且有应 力集中 , 各应力分量 u : , a , , a : 远大于外 加 应力 ( 方程 2) 。 因此 , 预裂 纹 试样的 a 。 远 比无裂 纹弯曲试样 要高 。 这 就 可解释 为什么预裂 纹 试 样 的氢致表观 屈服强度下降效应远 比无 裂 纹弯曲 试样要明显 ( 比较图 8 和 图2) 。 例如对 T . 5 “ 1 6 2 O M P a 的 30 C r M o s i N i : 钢 , 预裂 纹试样浸在 P H = 2的 溶液 中充氢就 能使 T 。 . 下降 , 严 重充氢 时 T 。 . 下降 83 % 。 但对无裂 纹弯 由试样 , 浸在 P H 二 0 . 1 的 溶液 中仍不能 使 a : . 下 降 , 严重充氢 时只使 a : . 下 降50 % 。 至 于光 滑拉伸试 样 , 由 于不 存在 应 力梯度 , 试 样各处的浓度 C 。 二 C 。 , 它 并不 能 大到 足以 使。 : 明显下 降 , 从而 也不能 产生滞 后塑 性 变形 。 图2 和 图 8 的实验 表 明 , 钢 的强度对 氢 致表 观屈服 强度 的下降有很 大影 响 , 对裂 纹试 样可 以 作 如下 的解释 。 按米塞 斯屈 服 判据 , 在 平面应 变条件 下裂 纹前端塑性 区边 界 为 } ` “ 1 K I “ R 4 兀 口 : 3 汇一 ~ 蕊 一 山 n ` U + ( 1 ~ 艺 V ) ` ( 1 + CO日 廿) J 乙 ( 7 ) 不考虑加工硬 化 , 且认为塑性区 中的应 力就 等于弹性边 界处的弹 性应 力 , 由方程 ( 1) 得 1 ( l + v ) 、 2 ( 1 + v ) Q H = 一下 一 ( O : + 。 v + Q z ) = 一 — 二万 - - ( 。 x + 口 v ) = Q 0 — 下0 一 一 K , 0 ` 于不蕊 二 哪 万 ( 8 ) 当 r 等于塑性区边界 R ( 由7 式给 出 ) 时 , 就得 塑性区 中流体 静压 为 切 2 ( 1 + v ) a s 0 O8C 万 - Q H = 0 _ . 。 r 一 李` n “ o + ( 1 一 2 、 ) , ( 1 + co 。 0 ) 〕 童 艺 ( 9 ) 从滑移线方 程 出发可得 l “ J 。 。 = 。 。 3 〔, n ( 1 + · / p 卜 十 其 中 p是裂 纹 顶端 半径 , a 是考虑 加工 硬 化而 引 进的 参数 。 总之 , 强 度愈高 , 在相 同条 件下 Q H愈高 , 从而 局部氢浓度也 愈高 , 这 就可解释裂 纹试 样 随强 度升 高 , T 。 州 丫 。 急剧 下降的事 实 。 1 1 8