论文部分内容阅读
高端制造业发展对钢材的性能提出了更加苛刻的要求,要求钢材具有更高的强度、更长的使用寿命以及更好的耐腐蚀性以适应日益复杂的服役环境。高强钢构件在高静水应力、酸性介质和阴极保护等条件下氢原子会渗入到材料的内部,服役时氢原子被应力诱导扩散和富集,在高氢浓度与应力的交互作用下引起裂纹形核和扩展。并在较低荷载水平下发生氢致脆性断裂,其氢脆敏感性随着材料强度的提高而急剧增加。由于断裂机制的复杂性,不仅涉及应力场、浓度场和化学场之间的多物理场耦合作用,还涉及宏观和细观多尺度的耦合,断裂行为难以准确的描述。其机制有待在实验、理论和数值分析的基础上进行更深入的研究。本文对45CrNiMoVA和30Cr Mo高强钢试样进行电化学充氢、力学性能测试和断口分析。基于扩散理论和氢致弱键理论（HEDE）,建立氢扩散多场耦合分析模型对钢材进行氢致断裂数值模拟。主要研究工作和结果有:1.对45CrNiMoVA高强钢光滑圆棒试样的试验研究,证实预充氢时间越长材料的脆化程度越大,表现为极限强度、塑性应变和延伸率的持续降低。对应的断口特征由韧窝和准解理（QC）型断裂逐渐向穿晶准解理（QC）直至沿晶（IG）断裂特征过渡,断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂。2.对45CrNiMoVA高强钢缺口试样的试验研究显示:（1）随预充氢时间增加,缺口根部断口沿晶（IG）断裂的面积分数和二次裂纹数量增加;相同充氢条件下,缺口应力集中系数大,沿晶（IG）断裂面积分数和二次裂纹数量增多,导致氢脆作用越显著。（2）对未充氢试样,由于缺口强化使得缺口半径较小的试样具有较高的强度。而对充氢试样,应力集中系数大的试样缺口强化高促使氢富集程度增大,导致缺口半径较小、充氢相同的试样具有较低的强度,氢脆敏感较高。3.对45CrNiMoVA和30Cr Mo高强钢CT裂纹试样的试验研究,证实试样的承载力随充氢时间增加逐步降低。含氢条件下测试的CTOD-R曲线偏低,显示出氢使得材料性能退化。表现为:增加预充氢时间,裂纹扩展阻力降低,断裂韧性下降。充氢后断口呈现准解理（QC）断裂特征;且更长的充氢时间,会使得试样断口出现沿晶（IG）断裂并伴有沿晶二次裂纹,呈现为脆性断裂。该现象与氢致弱键理论（HEDE）描述相符。4.建立多场顺序耦合氢致断裂数值模型:第一步计算静水应力场,第二步计算氢浓度场,第三步将氢浓度场输入到结合HEDE氢脆机制的内聚力模型中进行断裂计算。基于30Cr Mo高强钢CT裂纹试样实验测试结果,对无氢CT模型的内聚力张力位移关系（TSL）参数进行标定,应用顺序耦合模型对CT试样进行氢致断裂数值预测。结果表明:裂尖氢浓度和静水应力的分布规律具有一致性,证实了扩散分析的有效性。氢在裂尖附近富集导致该区域聚合强度降低,裂尖在较低应力下产生裂纹。模型计算得到的CT试样荷载-位移曲线和实验结果较吻合,所得CTOD-R曲线与实验曲线总体趋势一致,证实该模型可对高强钢氢致断裂行为进行有效的预测。5.根据扩散理论,考虑金属内晶格氢和陷阱氢的平衡,研究了氢扩散与应力-应变状态之间相互耦合作用的本构方程。利用UMAT和UMATHT子程序实现氢扩散分析;通过上述两个子程序之间参数变量传递,在ABAQUS中实施了氢扩散的计算。从而模拟了含钝裂纹试样裂纹前缘应力场和氢浓度场的耦合效应。结果显示:晶格氢的分布主要受静水应力梯度的作用,而塑性应变对陷阱氢分布的贡献较大。当氢陷阱处于饱和状态时,初始氢浓度的高低决定了晶格氢和陷阱氢对氢脆作用程度,结论可为预充氢试样氢致断裂模拟的计算奠定基础。结合HEDE氢脆机制,建立氢扩散-内聚力直接耦合模型实施30Cr Mo高强钢CT裂纹试样的氢致断裂模拟,结果显示:试样承载力随初始氢含量的增加而降低。计算的荷载-位移曲线和实验曲线较吻合,计算出CTOD-R曲线的与实验数据趋势一致,验证了该模型的氢脆预测能力。6.在相场断裂理论的基础上,引入瞬态氢扩散理论和HEDE氢脆机制,建立变形-氢扩散-相场多场耦合断裂模型,编写了模型实施的ABAQUS/UEL子程序。运用该模型对单边缺口的正方形板和45CrNiMoVA钢CT试样进行氢致断裂模拟,结果显示:在静水应力诱导下氢扩散到裂纹尖端,断裂后新裂纹尖端前缘氢浓度随着扩展量而降低。随着初始氢浓度的增加试样的承载力逐渐降低。计算的45CrNiMoVA钢CT试样荷载-位移曲线和实验曲线吻合较好,结合实验分析的HEDE氢脆机制,证实了该模型用于裂纹试样氢脆模拟的有效性和适用性。