应力环的设计制备及其在18CrNiMo7-6钢氢致断裂研究中的应用

发布时间：2020-09-10 11:06

　　本文以18CrNiMo7-6钢为试验材料,通过设计并制备应力环来研究18CrNiMo7-6钢V型缺口的氢脆敏感性,讨论其氢致断裂的机理,旨在用应力环代替持久强度试验机对缺口试样进行氢脆敏感性的测定,从而提高工作效率,节约成本,并将应力环推广应用到实际工程中。本文进行了应力环的设计制备。为了避免H2S应力腐蚀试验用应力环出现的问题,本文参照ASTMF519-08,设计了应力环及三套与应力环配合使用的夹具,三套夹具的作用分别是连接应力环和试验机、连接应力环和数显千分表、连接应力环和V型缺口试样。通过设计的夹具解决了实验时出现过载、因测量位置偏移造成的误差等问题。简化应力环为一个圆后理论计算与ANSYS有限元软件模拟应力环加载过程,发现应力环纵向拉伸端受到的拉应力与横向因收缩而产生的应力大致相同,验证了应力环在受到压缩或拉伸时产生的变形量与载荷遵循胡克定律,再运用最小二乘法的原理测得各个应力环的特征曲线。本文还进行了 18CrNiMo7-6钢V型缺口试样的制备,通过对试样平均测试载荷的测定,计算出各个应力环的变形量。使用应力环对试样加载,在规定的时间内未发现试样断裂。为了探究18CrNiMo7-6钢实际使用环境下的氢脆敏感性,对试样做渗氢处理,加载后发现在规定的时间内有三个试样发生断裂,说明18CrNiMo7-6试样渗氢后具有较强的氢脆敏感性。本文分析了材料的显微组织和夹杂物,观察了多个试样的断口形貌,重点分析了渗氢处理后试样的断口形貌,结合18CrNiMo7-6钢的显微组织、断口形貌、机械性能,描述了应力环加载下V型缺口试样氢致断裂的机理。用应力环代替持久强度试验机对18CrNiMo7-6钢进行氢脆敏感性的测定,试验简单易行,只需一台拉力试验机,便可同时进行多个试样的试验,试验过程易于控制,稳定性好,提高了工作效率。
【学位单位】：机械科学研究总院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.1
【部分图文】：

氢气氛,吸收过程,金属

逡逑子，分子聚集的部位因产牛巨大的氢压而导致氢脆。如图１－１所示，金属暴露在氢逡逑气氛环境中时氢的吸收过程。氢脆的主要特征有；２５＿２７］：邋一般在静载荷下发牛延时断逡逑裂；在室温下对氢敏感；氢脆敏感性通常与材料的强度呈正相关；氢脆裂纹ｉ般起逡逑源于次表ｉｆｎ，裂纹扩Ｍ是步进式的；断口为脆性断口，宏观下观察较平整，微观下逡逑可观察到沿晶上有撕裂棱等。逡逑Ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋ｇａｓ邋Ｈ２逡逑ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｘ逡逑Ｈａ邋Ｘ逦Ｈ２逡逑Ｈ２逡逑Ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ逡逑ｊ，逦ｏｎ邋ｍｅｔａｌ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑Ｈ２邋逦？邋Ｈ邋４－邋Ｈ逡逑Ｍｅｔａｌ邋Ｓｕｒｆａｃｅ逡逑［Ｈ］逡逑［Ｈ］＼逦［Ｈ］逡逑Ａｂｓｏｒｂｅｄ邋ｈｙｄｒｏｇｅｎ逡逑ａｔｏｍｓ逡逑图１－１金属暴露在氢气氛环境中的吸收过程逡逑１．２．１邋氢进入金属中的方式逡逑１．２．邋１．１冶炼和浇注逡逑冶炼过程中空气所含的水蒸气，矿石、造渣原料、铁合金以及耐火材料等所含逡逑的水分进入冶炼炉后会分解而形成氢，此外，燃料和保护渣屮碳氢化合物在冶炼时逡逑也会分解形成氢，这些氢在冶炼的过积中都会进入钢液。浇注过程中空气里水蒸气逡逑分解出的氢会被钢液吸收。逡逑１．２．逦１．２酸洗和电镀逡逑金属在热加工T产生的氧化皮能够很牢固地覆盖在金属的表面上，并覆盖着金逡逑属表面的缺陷，往往需要经酸洗后才能进一步加工或使用。在酸洗过程中，先足氧逡逑化皮和酸发生化学反应

应力环,试样,氢脆,世界各国

结束后２４ｈ以内进行，如果试验的开始时间延长，会减小查出氢脆的可能性，若因逡逑此而导致其在使）１１过程中发牛断裂，将给牛产带来不利影响，造成难以估量的损失。逡逑（２）缺口拉伸试验。缺口拉伸试验因其可靠性高已被世界各国航空航天领域逡逑广泛采用。世界各国也因此制定了相关标准，保证试验的准确性，如美国材料与试逡逑验协会标准ＡＳＴＭ邋Ｆ５１９－０８、欧盟标准ＥＮ２８３２：１９９３和我国的航空工业标准逡逑ＨＢ５０６７」－２００５。这些标准都介绍了采用缺Ｕ试样确定氢脆敏感性的方法［４８］。美标逡逑描述的试验方法中总共有７种形状的试样，其中６种为缺口试样，１种为光滑试样，逡逑通常采用应力环对缺口圆棒试样进行持久载荷试验。试验前要对应力环进行标定，逡逑试验时将试样穿过应力环的中心N<且安装在应力环上，通过应力环的弹性变形对试逡逑样产生拉伸载荷。对试样加载后保持２００ｈ，观察试样的断裂情况来判断试样的l#脆逡逑敏感性［４９］。我国航空工业标准ＨＢ５０６７．邋１－２００５和欧洲标准ＥＮ２８３２：１９９３中介绍的试逡逑验方法在结果判定上较为简便，通过试样的断裂与否直接判定其氢脆断裂倾向的Q囧义衔蓿匝椴捎萌笨诶焓匝缤迹保菜荆匝诠娑ǖ脑睾上鲁志美欤玻埃埃桢义希狭眩蛉衔门牧衔耷獯喽狭亚憬校蝗鏿}有一个试样发牛．断裂，则认为该批逡逑试样米通过氢脆试验，不能对材料进行后续的加工，应在除氢处邱后再评定其l#逡逑脆敏感性，最终判定该批材料足否能继续使用。逡逑

拉伸试验机,弯曲试验,示意图,试样

敏感性［４９］。我国航空工业标准ＨＢ５０６７．邋１－２００５和欧洲标准ＥＮ２８３２：１９９３中介绍的试逡逑验方法在结果判定上较为简便，通过试样的断裂与否直接判定其氢脆断裂倾向的Q囧义衔蓿匝椴捎萌笨诶焓匝缤迹保菜荆匝诠娑ǖ脑睾上鲁志美欤玻埃埃桢义希狭眩蛉衔门牧衔耷獯喽狭亚憬校蝗鏿}有一个试样发牛．断裂，则认为该批逡逑试样米通过氢脆试验，不能对材料进行后续的加工，应在除氢处邱后再评定其l#逡逑脆敏感性，最终判定该批材料足否能继续使用。逡逑￣￣邋逦逦逦逦逦￣二邋—｜Ｎ逡逑Ｍ逦ｒ逦４＝邋—邋＾逡逑图１－２邋ｖ型缺口拉伸试样逡逑（３邋）慢应变速率拉伸试验。慢应变速率拉伸试验足在应变速字．机上缓慢匀速逡逑地将试样拉伸至断裂，如图１－３所示，可以用于测量金属的氢脆敏感性。如果将试逡逑样浸在某溶液中如Ｈ２Ｓ水溶液，则可以研究试样在该溶液里发牛的应力腐蚀开裂：１１１。逡逑９逡逑

【参考文献】