焊接接頭中應(yīng)力促進(jìn)氫致裂紋形成理論分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、焊接接頭氫致裂紋是影響高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)使用安全性的常見焊接缺陷，目前該領(lǐng)域研究存在的主要問題是形成氫致裂紋三個(gè)主要因素之間的關(guān)系不明確，且未形成統(tǒng)一的裂紋形成機(jī)理。本文從裂紋形核的基本原理出發(fā)，考察了氫致裂紋形核時(shí)的能量變化，提出了氫致裂紋形核的能量及力學(xué)判據(jù)，推導(dǎo)了形成穩(wěn)定氫致裂紋的臨界尺寸，揭示了三個(gè)主要影響因素之間的關(guān)系，基于理論研究明確了應(yīng)力對(duì)氫致裂紋形成的促進(jìn)作用。系統(tǒng)的研究了應(yīng)力與擴(kuò)散氫及氫致裂紋關(guān)系，對(duì)應(yīng)力促進(jìn)氫致裂紋形成進(jìn)

2、行了實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)臨氫環(huán)境焊接接頭低應(yīng)力脆斷和氫致裂紋問題，提出了預(yù)充氫拉伸法評(píng)價(jià)焊接接頭氫致裂紋敏感性的新方法，本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　設(shè)計(jì)了一種研究應(yīng)力與擴(kuò)散氫及氫損傷關(guān)系的方法及裝置，中心圓孔拉伸試樣氫鼓泡演變規(guī)律表明高拉應(yīng)力區(qū)首先出現(xiàn)氫鼓泡，氫鼓泡形成過程中分布規(guī)律與應(yīng)力分布規(guī)律相一致，為應(yīng)力促進(jìn)氫致裂紋形成提供了直接證據(jù)。研究了在梯度拉應(yīng)力作用下試樣擴(kuò)散氫逸出分布及氫鼓泡分布規(guī)律，結(jié)果表明擴(kuò)散氫易于在高應(yīng)力區(qū)聚集

3、，證明了應(yīng)力對(duì)擴(kuò)散氫的誘導(dǎo)富集作用。氫鼓泡密度與拉應(yīng)力成正比，為定量分析應(yīng)力與氫致裂紋關(guān)系提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。應(yīng)力促進(jìn)氫致裂紋形成可表述為：擴(kuò)散氫通過應(yīng)力誘導(dǎo)作用在高拉應(yīng)力區(qū)富集，進(jìn)入顯微空腔后復(fù)合成氫氣產(chǎn)生內(nèi)氫壓力，該氫壓與周圍擴(kuò)散氫濃度成正比。當(dāng)局部位置內(nèi)氫壓力同外加載荷和內(nèi)應(yīng)力引起的拉應(yīng)力疊加等于原子間鍵合力、晶界或第二相與基體結(jié)合力時(shí)，氫致裂紋形核。拉應(yīng)力增加能夠降低氫致裂紋形核時(shí)的臨界氫壓，從而促進(jìn)氫致裂紋形核。
　　通過預(yù)

4、應(yīng)變引入內(nèi)應(yīng)力，電化學(xué)充氫實(shí)驗(yàn)表明，相同充氫條件下，預(yù)應(yīng)變?cè)嚇拥牧鸭y敏感率和氫致塑性損失均高于未應(yīng)變?cè)嚇樱唤沂玖怂苄宰冃未龠M(jìn)氫致裂紋形成的微觀機(jī)制，預(yù)應(yīng)變產(chǎn)生的位錯(cuò)及其在第二相或碳化物周圍塞積形成的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致氫在界面處富集導(dǎo)致裂紋易于在界面形核。拉伸試樣斷口分析表明，脆性斷裂特征比例隨充氫電流密度增加而增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了應(yīng)力對(duì)氫致裂紋形成的促進(jìn)作用。提出了表觀溶解激活能的概念及獲得方法，計(jì)算了不同預(yù)應(yīng)變后的氫致開裂臨界可擴(kuò)散氫

5、濃度及表觀溶解激活能，采用該參量可以通過西華特定律估算內(nèi)氫壓力。
　　研究了焊接接頭氫致裂紋的產(chǎn)生機(jī)制。低碳鋼 TIG焊接接頭焊縫區(qū)為晶粒粗大的魏氏體組織，晶界密度低于母材區(qū)。擴(kuò)散氫易于在母材區(qū)聚集，氫在母材區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)較焊縫區(qū)小，晶界處晶格畸變引起的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散氫具有誘導(dǎo)富集作用，是氫擴(kuò)散和聚集的主要位置。低碳鋼焊接接頭不同區(qū)域氫損傷特征存在較大的差異，母材區(qū)表面氫鼓泡密度較高，熔合區(qū)和焊縫區(qū)表面氫鼓泡較少，但內(nèi)部存在較多的氫

6、致裂紋。高強(qiáng)鋼焊接區(qū)由于馬氏體相變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致擴(kuò)散氫易于在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)聚集，晶界為擴(kuò)散氫擴(kuò)散和聚集的優(yōu)先通道。母材區(qū)氫致裂紋沿平行于板面方向擴(kuò)展呈臺(tái)階狀分布；焊縫區(qū)大部分裂紋沿柱狀晶晶界垂直板面方向擴(kuò)展。母材區(qū)裂紋優(yōu)先在碳化物與基體界面處形核，焊縫區(qū)氫致裂紋主要在板條馬氏體束界、板條界等各種晶界處形核，優(yōu)先在馬氏體條高位錯(cuò)區(qū)邊界形核。
　　提出了焊接接頭預(yù)充氫拉伸實(shí)驗(yàn)法評(píng)價(jià)接頭氫致裂紋敏感性的新方法，采用30CrMnSiN

7、i2鋼焊接接頭進(jìn)行了可行性研究，并比較分析了預(yù)充氫電流密度對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果顯示預(yù)充氫拉伸試樣斷裂位置由未充氫前的母材區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)?HAZ粗晶區(qū)，證明該區(qū)為臨氫環(huán)境工作時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)插銷實(shí)驗(yàn)一致。焊接接頭的強(qiáng)度和塑性隨預(yù)充氫電流密度的增加有所下降。斷口分析表明隨預(yù)充氫電流密度提高，斷裂方式由解理加韌窩混合型向解理過渡，但斷裂位置沒有改變。該方法可以快速準(zhǔn)確的確定臨氫環(huán)境時(shí)焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。
　　基于