焊接接頭中應力促進氫致裂紋形成理論分析與實驗研究.pdf

1、焊接接頭氫致裂紋是影響高強鋼焊接結構使用安全性的常見焊接缺陷，目前該領域研究存在的主要問題是形成氫致裂紋三個主要因素之間的關系不明確，且未形成統(tǒng)一的裂紋形成機理。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的能量變化，提出了氫致裂紋形核的能量及力學判據(jù)，推導了形成穩(wěn)定氫致裂紋的臨界尺寸，揭示了三個主要影響因素之間的關系，基于理論研究明確了應力對氫致裂紋形成的促進作用。系統(tǒng)的研究了應力與擴散氫及氫致裂紋關系，對應力促進氫致裂紋形成進

2、行了實驗研究。針對臨氫環(huán)境焊接接頭低應力脆斷和氫致裂紋問題，提出了預充氫拉伸法評價焊接接頭氫致裂紋敏感性的新方法，本論文的主要研究內容如下：
　　設計了一種研究應力與擴散氫及氫損傷關系的方法及裝置，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)律與應力分布規(guī)律相一致，為應力促進氫致裂紋形成提供了直接證據(jù)。研究了在梯度拉應力作用下試樣擴散氫逸出分布及氫鼓泡分布規(guī)律，結果表明擴散氫易于在高應力區(qū)聚集

3、，證明了應力對擴散氫的誘導富集作用。氫鼓泡密度與拉應力成正比，為定量分析應力與氫致裂紋關系提供了實驗基礎。應力促進氫致裂紋形成可表述為：擴散氫通過應力誘導作用在高拉應力區(qū)富集，進入顯微空腔后復合成氫氣產(chǎn)生內氫壓力，該氫壓與周圍擴散氫濃度成正比。當局部位置內氫壓力同外加載荷和內應力引起的拉應力疊加等于原子間鍵合力、晶界或第二相與基體結合力時，氫致裂紋形核。拉應力增加能夠降低氫致裂紋形核時的臨界氫壓，從而促進氫致裂紋形核。
　　通過預

4、應變引入內應力，電化學充氫實驗表明，相同充氫條件下，預應變試樣的裂紋敏感率和氫致塑性損失均高于未應變試樣；揭示了塑性變形促進氫致裂紋形成的微觀機制，預應變產(chǎn)生的位錯及其在第二相或碳化物周圍塞積形成的內應力場導致氫在界面處富集導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。實驗結果進一步證實了應力對氫致裂紋形成的促進作用。提出了表觀溶解激活能的概念及獲得方法，計算了不同預應變后的氫致開裂臨界可擴散氫

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氫壓力。
　　研究了焊接接頭氫致裂紋的產(chǎn)生機制。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)。擴散氫易于在母材區(qū)聚集，氫在母材區(qū)的擴散系數(shù)較焊縫區(qū)小，晶界處晶格畸變引起的內應力場對擴散氫具有誘導富集作用，是氫擴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，但內部存在較多的氫

6、致裂紋。高強鋼焊接區(qū)由于馬氏體相變產(chǎn)生的內應力導致擴散氫易于在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)聚集，晶界為擴散氫擴散和聚集的優(yōu)先通道。母材區(qū)氫致裂紋沿平行于板面方向擴展呈臺階狀分布；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區(qū)邊界形核。
　　提出了焊接接頭預充氫拉伸實驗法評價接頭氫致裂紋敏感性的新方法，采用30CrMnSiN

7、i2鋼焊接接頭進行了可行性研究，并比較分析了預充氫電流密度對焊接接頭力學性能的影響規(guī)律。結果顯示預充氫拉伸試樣斷裂位置由未充氫前的母材區(qū)轉變?yōu)?HAZ粗晶區(qū)，證明該區(qū)為臨氫環(huán)境工作時的薄弱環(huán)節(jié)，所得實驗結果與傳統(tǒng)插銷實驗一致。焊接接頭的強度和塑性隨預充氫電流密度的增加有所下降。斷口分析表明隨預充氫電流密度提高，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。該方法可以快速準確的確定臨氫環(huán)境時焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。
　　基于