D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1999.01.010 第21卷第1期 北京科技大学学报 Vol.21 No.1 1999年2月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Feb.1999 氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响 李晓刚) 柯伟2) 乔利杰) 1)北京科技大学材料科学与工程学院腐蚀系，北京1000832)金属腐蚀与防护国家重点实验室，沈阳110015 摘要研究了国产钢经不同温度和时间氢暴露后的力学性能、疲劳性能和断裂韧性，用扫描电 镜证实了氢蚀后断裂机制发生了变化.研究表明：随氢蚀程度增加，20G钢抗拉强度和塑性降低明 显，CMo钢抗拉强度略有降低，塑性变化不大.氢蚀使20G钢的门横值有一个最小值，而断裂韧性 随氢蚀程度升高而降低，在氢蚀程度较低时，断裂韧性下降程度大；在氢蚀程度较高时，断裂韧性 下降程度变缓.碳钢的疲劳性能变化是由于材料损伤作用和氢蚀造成的裂纹表面引起的闭合效应 增加二者共同作用的结果 关键词疲劳性能：断裂韧性：氢蚀；断裂机制 分类号TG172.83 氢腐蚀(HA)能使材料的力学性能严重恶化， 氢蚀实验在抚顺石油三厂氢腐蚀基地完成，试样 它是化学工业、石油化工、煤转化工业临氢装置 放人300,350,400,450和480℃，18MPa的氢气 主要的损坏形式1~.鉴于实际构件多在变动载 介质中暴露时间为24,48,240,480和720h,使试 荷下工作，因而澄清氢蚀程度与疲劳性能的关 样发生不同程度的氢损伤.然后采用岛津EHF-E 系，对临氢装置寿命预测及工作载荷选择是至关 B-20L型液压伺服疲劳机进行拉伸和疲劳实 重要的，有关临氢用钢低周疲劳性能的研究，多 验.在应力比R=0.1,f=10h的，正弦波加载的 有报道，但临氢用钢氢损伤前后高周疲劳研究， 条件下，进行裂纹扩展与门槛值测试.门槛值测 氢损伤程度对疲劳断裂性能有何影响，报道不 试采用降载法，在近门槛值时，降载率为5%，直 多 到在6×10周次内，裂纹扩展约为0.06mm为止. 研究了国产20G、15Cr-Mo和2.25Cr-1Mo钢 COD实验也在EHF-EB-20L疲劳机上进行， 经不同时间不同温度氢暴露后的力学性能，疲劳 对几乎没有塑性变形就脆性断裂的试样，以启裂 性能以及断裂韧性的变化，并用扫描电镜观察了 点张开位移6，为临界张开位移(6，=6.试样不少 断口，证实氢蚀后断裂机制发生变化并对变化的 于3个)；对有塑性变形的试样，采用阻力曲线法 机制进行了分析. 选取裂纹亚临界扩展量为0.05mm的COD值 0s=6.(试样不少于5个)例.用阻力曲线法测8 1实验方法 时，各试样疲劳预制后裂纹长度之比a/W近似相 试样取自热轧板，成分（质量分数）见表1. 等，且在0.45和0.55之间，亚临界扩展量△a小于 0.5mm,并使停机点分布均匀6~副. 表1热轧板成分（质量分数） % dg=d。+6pi 钢样 C Mn Mo Cr Si P 6。=K(1-v)/(26sE) 20G钢 0.210.40- 0.150.0320.035 K,=PS/(BW33·f(a/: 15CrMo钢0.140.550.490.950.270.0350.035 d,=0.45',(W-a)/[0.45(W-a)+a+h]. 2.25CrMo钢0.170.550.902.250.340.0350.035 其中，δ为弹性张开位移，δ，为塑性张开位移，v为 常规力学性能测试采用中6mm标准试样，疲 泊松比，E为弹性模量，P,S,B和W分别为载荷、 劳试样为板状5mm×36mm×180mm,单边预 试验跨距、试样厚度和宽度.材料为脆性断裂 制4.5mm裂纹；断裂韧性Kc的测试均为轧向. 时：Kc=(Eo⊙)2；材料为韧性断裂时Kc= 1998-03-24收稿李晓刚男，35岁，散授，博士 (BEo⊙)2；其中B为COD减小系数，E=E/第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 比 氢蚀程度对钢疲劳断裂性能的影响 李晓 刚 ’ 柯 伟 乔利 杰 北京科技大学材料科 学 与工程学 院腐蚀系 ， 北京 金属腐蚀与 防护 国家重点实验室 ， 沈阳 摘 要 研究 了 国产钢经 不 同温度 和 时 间氢暴露后 的力学性 能 、 疲 劳性能和 断裂韧性 ， 用 扫描 电 镜证实 了氢蚀后 断裂机制 发生 了变化 研究表 明 随氢蚀程度增加 ， 钢抗拉强 度和 塑性 降低 明 显 ， 。 钢抗拉强度略有 降低 ， 塑性变化不大 氢蚀使 钢的门槛值有一个最小值 ， 而 断裂韧性 随氢蚀程度 升高而 降低 ， 在氢蚀程度 较低 时 ， 断裂 韧性下 降程度 大 在 氢蚀程 度 较高时 ， 断裂韧性 下 降程度 变缓 碳钢 的疲劳性能变化是 由于材料损伤作用 和氢蚀造成 的裂纹表 面 引起 的 闭合效应 增加二者共同作用 的结果 关键词 疲劳性能 断裂韧性 氢蚀 断裂机制 分类号 氢腐蚀 能使材料 的力学性 能严重 恶化 ， 它 是 化 学 工 业 、 石 油 化 工 、 煤 转 化 工 业 临 氢 装 置 主 要 的 损 坏 形 式 一 鉴 于 实 际 构 件 多 在 变 动 载 荷 下 工 作 ， 因 而 澄 清 氢 蚀 程 度 与 疲 劳 性 能 的 关 系 ， 对临 氢装 置 寿命预 测 及 工 作 载 荷 选 择是 至 关 重 要 的 有 关 临 氢 用 钢 低 周 疲 劳 性 能 的研 究 ， 多 有 报 道 ， 但 临 氢 用 钢 氢 损 伤 前 后 高周 疲 劳研 究 ， 氢 损 伤 程 度 对 疲 劳 断 裂 性 能 有 何 影 响 ， 报 道 不 多 研究 了 国产 、 一 和 一 钢 经不 同时间不 同温 度 氢暴 露 后 的力 学性 能 ， 疲 劳 性 能 以 及 断裂 韧性 的变 化 ， 并 用 扫描 电镜观 察 了 断 口 ， 证 实氢蚀 后 断裂 机 制 发 生 变 化 并 对变 化 的 机制进行 了分析 实验方法 试样取 自热轧板 ， 成分 质量分数 见 表 表 热轧板成分 质 分数 钢样 钢 一 一 钢 ， 钢 二 常规力学性 能测 试采用 中 标准试样 ， 疲 劳 试 样 为 板 状 主 ， 单边 预 制 裂 纹 断裂 韧性 戈 。 的 测 试 均 为 轧 向 一 一 收稿 李晓刚 男 ， 岁 ， 教授 ， 博士 氢蚀 实验在 抚顺 石 油 三 厂 氢腐蚀基 地完成 ， 试 样 放 人 ， ， ， 和 、 的氢气 介质 中暴 露 时 间为 ， ， ， 和 ， 使试 样 发 生不 同程度 的氢损伤 然 后 采 用 岛津 一 一 型 液 压 伺 服 疲 劳 机 进 行 拉 伸 和 疲 劳 实 验 在 应 力 比 ， 的 ， 正 弦 波 加 载 的 条 件 下 ， 进 行 裂 纹 扩 展 与 门槛值 测 试 门槛 值测 试 采 用 降载 法 ， 在 近 门槛 值 时 ， 降载 率为 ， 直 到 在 护周 次 内 ， 裂 纹扩展 约 为 为止 实验 也 在 一 一 疲 劳机 上 进行 对几 乎没 有 塑性 变 形 就 脆性 断裂 的试样 ， 以 启裂 点 张 开 位 移占、为 临 界 张 开 位 移 ， 。 试 样 不 少 于 个 对有 塑 性 变 形 的 试 样 ， 采 用 阻 力 曲线 法 选 取 裂 纹 亚 临 界 扩 展 量 为 的 值 ， 一 。 试样 不 少 于 个 用 阻力 曲线法 测氏 时 ， 各 试样 疲 劳预 制后 裂 纹 长度 之 比 砰 近 似相 等 ， 且 在 和 之 间 ， 亚 临界 扩展 量△ 小 于 ， 并使停机点分布均匀 一 占 。 。 叽 一 ’ ， 戈 一 牙 ，‘ ’ · 哟 占， · 咋 牙 一 · 砰 一 · 其 中 ， 氏为弹性 张开位移 ， 人为塑性 张开位移 ， ， 为 泊松 比 ， 为弹性模 量 ， 尸 ， ， 和 平 分别 为载 荷 、 试 验 跨 距 、 试 样 厚 度 和 宽 度 材 料 为 脆 性 断 裂 时 戈 。 ’ ， 。 ’ ‘ ’ 材 料 为韧性 断裂 时凡 哪 ’ 。 ’ ‘ ’ 其 中吞为 减 小 系 数 ， ’ 君 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．01．010