高強(qiáng)度螺栓用鋼的氫擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)及氫致延遲斷裂控制技術(shù)研究.pdf

1、高強(qiáng)度螺栓廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備，在惡劣的海洋環(huán)境中，易于發(fā)生氫致延遲斷裂現(xiàn)象，給裝備的正常運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患。材料的組織、氫和應(yīng)力狀態(tài)是高強(qiáng)度螺栓氫致延遲斷裂的三個(gè)重要因素，尤其是內(nèi)氫在螺紋根部應(yīng)力集中處的擴(kuò)散、富集，是高強(qiáng)度螺栓斷裂的主要因素。氫致延遲斷裂的防控需從這三方面因素著手進(jìn)行研究分析，因而，研究高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、氫在材料中的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)及氫致延遲斷裂的控制手段具有重要的理論和工程意義。本文選取典型的海洋工程用

2、高強(qiáng)度螺栓材料40CrNiMoA、0Cr16Ni5Mo和12CrNi9MoV鋼，并利用有限元分析、力學(xué)測(cè)試、微觀組織觀察及電化學(xué)測(cè)試等手段，對(duì)三種試驗(yàn)鋼的氫致斷裂問題的內(nèi)因和外因進(jìn)行剖析、總結(jié)，并試圖找出氫致延遲斷裂的合理控制手段。
　　為研究材料在使用中氫聚集后的力學(xué)和化學(xué)行為，需要研究試驗(yàn)鋼的陰極充氫工藝以制備研究的試樣。結(jié)果表明，充氫過程應(yīng)采用“長(zhǎng)時(shí)間，小電流”的原則，可以起到氫原子均勻分布于試樣，且有效避免試樣表面產(chǎn)生氫致

3、損傷的作用。氫含量均隨充氫時(shí)間的延長(zhǎng)及充氫電流密度的增加而增加，達(dá)到一定時(shí)間后，處于穩(wěn)態(tài)值。該工作能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用中研究?jī)?nèi)氫在螺栓中某一部位擴(kuò)散、富集并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值提供試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)也為內(nèi)氫聚集達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。
　　氫擴(kuò)散系數(shù)是表征氫在鋼中擴(kuò)散能力的重要參量。本文采用氫擴(kuò)散理論中的穿透時(shí)間法和時(shí)間滯后法計(jì)算了試驗(yàn)鋼的表觀氫擴(kuò)散系數(shù)。利用不同類型螺栓用鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)，評(píng)估了氫在鋼中富集部位達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間及富集程度，從而

4、為評(píng)價(jià)氫在不同材質(zhì)螺栓應(yīng)力集中處聚集的過程及趨勢(shì)做鋪墊。
　　利用升溫脫氫分析技術(shù)，研究了氫在試驗(yàn)鋼中的陷阱行為，并以逸出激活能的形式評(píng)估了鋼中不同類型氫原子的逸出能力。本工作對(duì)研究?jī)?nèi)氫在不同類型螺栓用鋼中的擴(kuò)氫難易程度及利用有益氫陷阱來(lái)降低氫致延遲斷裂敏感性具有重要意義，同時(shí)也為不同類型螺栓用鋼的選材提供參考。
　　采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，本文研究了氫對(duì)缺口試樣和光滑試樣應(yīng)力應(yīng)變特性的影響。該研究能夠很好地評(píng)價(jià)不同類型螺栓

5、用鋼在內(nèi)氫作用下的承載能力，且其內(nèi)氫含量與缺口強(qiáng)度及塑性指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用中螺栓強(qiáng)度的選擇和安全性評(píng)價(jià)提供參考。同時(shí)，拉伸試樣的斷口形貌表明，氫致斷裂斷口形貌隨著鋼中氫含量的升高，由韌窩型韌性斷口逐漸向穿晶準(zhǔn)解理甚至沿晶斷裂特征過渡，從而為實(shí)際工況中螺栓失效分析提供復(fù)原模擬作用。
　　采用有限元分析模擬手段，缺口試樣的根部區(qū)域應(yīng)力分布得到了直觀的呈現(xiàn)。通過設(shè)計(jì)模型中不同的缺口半徑和材料參數(shù)，獲得了不同缺口半徑、不同強(qiáng)度狀

6、態(tài)下缺口根部的應(yīng)力集中系數(shù)。此分析為應(yīng)力誘導(dǎo)氫擴(kuò)散模擬提供了預(yù)定義場(chǎng)。利用應(yīng)力誘導(dǎo)-氫擴(kuò)散順次耦合的有限元程序，獲得了氫在應(yīng)力誘導(dǎo)下缺口根部氫濃度的分布狀態(tài)及富集趨勢(shì)，為工程應(yīng)用中螺栓發(fā)生氫致斷裂的斷口形貌分析提供借鑒，也可為螺栓的安全性評(píng)價(jià)提供參考。
　　本文利用理論計(jì)算與有限元模擬相結(jié)合的手段，探討了高強(qiáng)度螺栓氫致延遲斷裂的控制技術(shù)。缺口根部的微區(qū)塑性變形對(duì)于應(yīng)力集中的緩解具有重要作用，而氫原子的引入，對(duì)塑性變形具有復(fù)雜影響。

7、內(nèi)氫含量、缺口半徑和螺栓用鋼的氫致局部斷裂臨界應(yīng)變?nèi)咧g的關(guān)系，成為防控高強(qiáng)度螺栓氫致延遲斷裂的關(guān)鍵，也為高強(qiáng)度螺栓的合理選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。
　　高強(qiáng)度螺栓在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常根據(jù)使用環(huán)境來(lái)選擇合適的電鍍層來(lái)增加零件的使用年限。本文利用電化學(xué)手段對(duì)常用的幾種螺栓鍍層進(jìn)行耐蝕性評(píng)價(jià)及鍍層腐蝕階段的電化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行分析，探討了其不同的耐蝕性機(jī)理。通過系統(tǒng)地對(duì)比分析，找出海洋工程應(yīng)用中，適合高強(qiáng)度螺栓低氫脆、低后脆的防護(hù)鍍層