·34· 北京科技大学 学 报 1999年第1期 度的升高，dal/dN明显增加，门槛值明显降低.对 10-3 2.25Cr-1Mo钢，本工作的氢蚀温度和时间对其疲 10-4 劳和断裂性能影响不大 。。 。。 ● 10-4f 10-5 (a) (b) 客 0 106人 ·NOHA ·350℃ ◆480℃ +NOHA /(NP 107 6 106 5d 410d 3 4567 10 .20d 应力强度因子△KMPa·m2 10-7 图8R0.75时愾蚀温度对20G钢疲劳裂纹扩展速度的影响 6 81014186810.1418 应力强度因子△K/MPam2 图520钢在300℃，18MPa(a)和2.25Cr1Mo钢在480℃， 3讨论 18MPa(b)条件下氢蚀时间对疲劳裂纹扩展 31温度对氢蚀程度的影响 20G钢氢蚀程度与ò。、Kc的关系见图7.6.和 H,渗入碳钢后发生如下反应： Kc随氢蚀程度升高而降低. Fe,C+2H2=CH,+3Fe+△G°. 对比图6和图7可知不同氢蚀对20G钢两个 产生的甲烷在晶界及夹杂物处形核、长大、 重要的材料性能参数△K和Kc的影响不同.门 连接，反应的主要控制步骤是碳从渗碳体通过铁 槛值随HA的变化出现一个最小值，Kc却随HA 素体向晶界及夹杂处扩散.温度升高，使碳扩散 增大而单调降低.为了探讨裂纹闭合效应对门槛 速度增加，甲烷的生成速度也增加.而对碳含量 值和疲劳裂纹扩展行为的影响，研究了应力比 相近的CMo钢，由于Cr和Mo形成了稳定的碳 R=0.75对碳钢的氢蚀前后的影响，结果如图8 化物，降低了碳的活度，并且和溶在铁素体中的 所示，由于R的增加，门槛值大幅度降低，裂纹扩 Cr和Mo共同提高钢的抗高温蠕变能力，Mo还 展速率增加，氢蚀温度对碳钢疲劳性能的影响更 有较强的晶界偏析倾向，从而降低晶界的界面 为明显.与R=01不同，门槛值随氢蚀程度的升 能，减少了晶界裂纹形核的几率和速率，使脱碳 高而下降，裂纹扩展速率增加 速度大于裂纹形成速率.CMo钢的临氢表面已 严重脱碳，但内部未变化.由于强度对有效面积 敏感，故有下降；塑性对脱碳不敏感，故没有明显 变化. 32氢蚀对疲劳性能的影响 6 由于氢蚀，20G钢在晶界及夹杂处产生甲烷 气泡，甚至裂纹，因此一些阻碍疲劳裂纹扩展的 0 22334455 障碍（晶界、珠光体与铁素体的边界）被消除，使 HA/% 图6氢蚀温度对20G钢疲劳门槛值的影响 材料抵抗裂纹扩展能力降低；但裂纹沿晶界连接 0.30 150 造成疲劳裂纹扩展路径变得非常曲折).20G钢 0.24 120 的疲劳行为是由于氢蚀对材料损伤作用和曲折 0.18 % 的疲劳裂纹路径造成闭合效应增加两因素所联 0.12 60 EdW 合决定.在低△K区，初始氢蚀损伤起主要作用， 30 导致△K显著下降，而随后由于疲劳裂纹曲折程 0.06 度随氢蚀温度增加而增加，造成闭合效应也增 0 0 223344 55 加，使门槛值增大，但随△K增加，闭合效应降低， HA/% 因此当da/dN大于l0~smml周期时，daldN随氢 图720G钢氢烛程度与6，K1c的关系 蚀温度增加而增加.从而造成图6所示现象，门槛 氢蚀20G钢Kc断口扫描观察表明：随氢蚀 值随氢蚀温度升高，出现一个最小值.对高温高 温度增加，断裂机制从韧窝状韧性断口向沿晶的 压临氢后的15CMo钢，其疲劳断裂性能的变化 脆性断口转化. 与碳钢不同，这是由于高温高压临氢对其损伤不北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 沪。 。， 踢瞥 ℃ … 夕 厅 卜﹂ 工。 度 的 升 高 获叹七导‘芝、之︶︵ ， 厄 明 显 增 加 ， 门槛 值 明 显 降低 对 一 钢 ， 本工 作 的氢蚀 温 度 和 时 间对其疲 劳和 断裂性 能影 响不 大 ‘ 啥 · 应力强度 因子。 为 · 班 竺 图 司 时氮蚀温度对 此钢疲劳裂纹扩展速度的影晌 ’了 一。缀吸 · 匀毛日‘ 应力强度 因子乙尤 · ， ， 图 钢在 ℃ ， 一吕 和 钢在 ℃ ， 条件下氢蚀时 间对疲劳裂纹扩展 钢 氢蚀程 度 与 、 戈 。 的 关系 见 图 氏和 戈 。 随氢蚀程度 升 高而 降低 对 比 图 和 图 可 知 不 同氢蚀 对 钢 两个 重 要 的 材 料 性 能 参数 乙凡和 戈 。 的 影 响 不 同 · 门 槛值 随 的变化 出现 一 个最 小 值 ， 戈 。 却随 队 增 大 而 单调 降低 为 了探讨裂 纹 闭合 效 应 对 门槛 值 和 疲 劳 裂 纹 扩 展 行 为 的 影 响 ， 研 究 了 应 力 比 对碳 钢 的 氢 蚀 前 后 的 影 响 ， 结果 如 图 所示 ， 由于 的增 加 ， 门槛值 大 幅度 降低 ， 裂 纹 扩 展 速率增 加 氢蚀 温度 对碳 钢疲劳性能 的影 响更 为 明显 与 二 不 同 ， 门槛值 随氢蚀程 度 的升 高而 下 降 ， 裂 纹扩展速率增 加 一一一一一一 一一一一一一 一一一一一一 一一 】 户以 图 氮蚀温度对 钢疲劳门槛值的影响 压丁一一一－一一－ 一一 － 门 」 里 吸 ’ “ 鉴 飞侧 霎 讨论 温度对氮蚀程度 的影晌 从 渗人碳 钢后 发生如下反应 氏 乙 产 生 的 甲烷 在 晶界 及 夹杂物 处形 核 、 长大 、 连 接 反 应 的主要 控制步骤是碳 从渗碳 体通 过铁 素体 向晶 界 及 夹杂处 扩散 温 度 升 高 ， 使碳 扩 散 速 度 增 加 ， 甲烷 的生 成 速 度 也 增 加 而 对碳 含 量 相 近 的 钢 ， 由于 和 。 形 成 了稳定 的碳 化物 ， 降低 了碳 的 活 度 ， 并 且 和 溶 在 铁 素体 中 的 和 共 同提 高钢 的抗 高 温 蠕 变 能 力 还 有 较 强 的 晶 界 偏 析倾 向 ， 从 而 降低 晶 界 的 界 面 能 ， 减 少 了 晶界 裂 纹 形 核 的 几 率 和 速率 ， 使脱碳 速 度 大 于 裂 纹 形 成 速 率 钢 的 临 氢 表 面 已 严 重 脱 碳 ， 但 内部未 变 化 由于 强 度 对有 效 面 积 敏感 ， 故有 下 降 塑性 对脱碳 不 敏感 ， 故 没有 明显 变化 氮蚀对疲劳性能的影响 由于 氢蚀 ， 钢在 晶界 及 夹杂处产 生 甲烷 气泡 ， 甚 至 裂 纹 ， 因此 一 些 阻 碍 疲劳 裂 纹扩 展 的 障碍 晶界 、 珠 光 体 与铁素体 的边 界 被 消 除 ， 使 材 料抵抗 裂 纹 扩展 能力 降低 但裂 纹 沿 晶界 连接 造 成 疲 劳裂 纹 扩 展 路 径 变得 非 常 曲折闭 钢 的疲 劳行 为是 由于 氢蚀 对材 料 损伤作用 和 曲折 的疲 劳裂 纹 路 径 造 成 闭合效 应 增 加 两 因 素所 联 合 决 定 在 低 △ 区 ， 初 始 氢蚀 损伤起 主要 作 用 ， 导致乙凡 显著下 降 ， 而 随后 由于疲 劳裂 纹 曲折程 度 随 氢 蚀 温 度 增 加 而 增 加 ， 造 成 闭合 效 应 也 增 加 ， 使 门槛值增 大 但 随乙天增 加 ， 闭合 效 应 降低 ， 因此 当 厄 大 于 ’ 周期 时 ， 厄 随氢 蚀温度 增 加而 增加 从而 造成 图 所示 现象 ， 门槛 值 随 氢 蚀 温 度 升 高 ， 出 现 一 个 最 小 值 对 高温 高 压 临 氢 后 的 钢 ， 其疲 劳 断裂 性 能 的 变 化 与碳 钢 不 同 ， 这 是 由于 高温 高压 临氢 对其 损伤 不 里动芝日 日 。 叱 一一一一一 一一一习 图 钢氮蚀程度与氏滋止的关系 氢蚀 钢 凡 断 口 扫描 观 察表 明 随氢蚀 温度 增加 ， 断裂 机制从韧 窝状 韧性 断 口 向沿 晶 的 脆性 断 口 转化