高強度螺栓用鋼的氫擴散動力學及氫致延遲斷裂控制技術研究.pdf

1、高強度螺栓廣泛應用于海洋工程裝備，在惡劣的海洋環(huán)境中，易于發(fā)生氫致延遲斷裂現(xiàn)象，給裝備的正常運行帶來極大的安全隱患。材料的組織、氫和應力狀態(tài)是高強度螺栓氫致延遲斷裂的三個重要因素，尤其是內(nèi)氫在螺紋根部應力集中處的擴散、富集，是高強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行研究分析，因而，研究高強度螺栓連接結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)、氫在材料中的擴散動力學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、高強度螺栓材料40CrNiMoA、0Cr16Ni5Mo和12CrNi9MoV鋼，并利用有限元分析、力學測試、微觀組織觀察及電化學測試等手段，對三種試驗鋼的氫致斷裂問題的內(nèi)因和外因進行剖析、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和化學行為，需要研究試驗鋼的陰極充氫工藝以制備研究的試樣。結(jié)果表明，充氫過程應采用“長時間，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。氫含量均隨充氫時間的延長及充氫電流密度的增加而增加，達到一定時間后，處于穩(wěn)態(tài)值。該工作能夠為工程應用中研究內(nèi)氫在螺栓中某一部位擴散、富集并最終達到穩(wěn)態(tài)值提供試驗驗證，同時也為內(nèi)氫聚集達到穩(wěn)態(tài)值的計算奠定基礎。
　　氫擴散系數(shù)是表征氫在鋼中擴散能力的重要參量。本文采用氫擴散理論中的穿透時間法和時間滯后法計算了試驗鋼的表觀氫擴散系數(shù)。利用不同類型螺栓用鋼的氫擴散系數(shù)，評估了氫在鋼中富集部位達到平衡狀態(tài)的時間及富集程度，從而

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

5、用鋼在內(nèi)氫作用下的承載能力，且其內(nèi)氫含量與缺口強度及塑性指標的對應關系能夠為工程應用中螺栓強度的選擇和安全性評價提供參考。同時，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解理甚至沿晶斷裂特征過渡，從而為實際工況中螺栓失效分析提供復原模擬作用。
　　采用有限元分析模擬手段，缺口試樣的根部區(qū)域應力分布得到了直觀的呈現(xiàn)。通過設計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、不同強度狀

6、態(tài)下缺口根部的應力集中系數(shù)。此分析為應力誘導氫擴散模擬提供了預定義場。利用應力誘導-氫擴散順次耦合的有限元程序，獲得了氫在應力誘導下缺口根部氫濃度的分布狀態(tài)及富集趨勢，為工程應用中螺栓發(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價提供參考。
　　本文利用理論計算與有限元模擬相結(jié)合的手段，探討了高強度螺栓氫致延遲斷裂的控制技術。缺口根部的微區(qū)塑性變形對于應力集中的緩解具有重要作用，而氫原子的引入，對塑性變形具有復雜影響。

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變?nèi)咧g的關系，成為防控高強度螺栓氫致延遲斷裂的關鍵，也為高強度螺栓的合理選材、結(jié)構(gòu)設計提供理論參考。
　　高強度螺栓在實際應用時，通常根據(jù)使用環(huán)境來選擇合適的電鍍層來增加零件的使用年限。本文利用電化學手段對常用的幾種螺栓鍍層進行耐蝕性評價及鍍層腐蝕階段的電化學反應過程進行分析，探討了其不同的耐蝕性機理。通過系統(tǒng)地對比分析，找出海洋工程應用中，適合高強度螺栓低氫脆、低后脆的防護鍍層