李彥澤 李運(yùn)剛 任喜強(qiáng) 馬 濤 齊艷飛

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063210)

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國(guó)汽車銷量已位列全球第一,到2020年底,我國(guó)民用汽車已超過(guò)2.6億輛[1-2]。研究表明,車身質(zhì)量每降低10%,油耗會(huì)減少6%～10%[3],因此亟待研發(fā)高強(qiáng)度汽車用鋼以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

現(xiàn)有的先進(jìn)高強(qiáng)鋼有熱成形鋼、雙相(dual-phase, DP)鋼、淬火-配分(quenched and partitioned, Q &P)鋼及相變誘導(dǎo)塑性(transformation induced plasticity, TRIP)鋼等。研究表明,當(dāng)鋼的抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 000 MPa時(shí),氫脆幾乎不可避免[4],且強(qiáng)度越高氫脆敏感性越大。鋼中奧氏體的氫脆敏感性和氫的擴(kuò)散系數(shù)比馬氏體小,因此保留奧氏體組織能提高鋼的抗氫脆性能[5]。

氫脆斷裂毫無(wú)預(yù)兆且難以檢測(cè)。為此,中、日、韓三國(guó)在鋼鐵行業(yè)投入了大量資金研究高強(qiáng)鋼的氫脆斷裂問(wèn)題,目前諸多企業(yè)已將氫脆問(wèn)題列為重要的研究項(xiàng)目。本文綜述了國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)度汽車用鋼的研究現(xiàn)狀和氫脆損傷機(jī)制及常用的檢測(cè)方法等。

1 氫脆損傷機(jī)制

煉鋼時(shí)水會(huì)分解成氫,酸洗時(shí)的析氫反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫原子,并滲入鋼中導(dǎo)致氫脆,降低鋼材的力學(xué)性能;自然界的氫滲入也會(huì)導(dǎo)致鋼材氫脆斷裂。鋼的強(qiáng)度越高,其氫脆損傷越嚴(yán)重,因此對(duì)其進(jìn)行研究迫在眉睫。

1.1 氫脆機(jī)制

氫脆通常表現(xiàn)為鋼材的塑性下降、脆性增大,在靜載荷下就會(huì)斷裂,目前分為第一類氫脆和第二類氫脆。

第一類氫脆是鋼在冶煉后便存在氫源,使用中在應(yīng)力的作用下發(fā)生氫脆斷裂。第二類氫脆是鋼在使用中受到應(yīng)力的作用,同時(shí)環(huán)境中的氫分子吸附在鋼表面并分解成氫原子擴(kuò)散進(jìn)入晶格而導(dǎo)致氫脆斷裂,又分為可逆氫脆和不可逆氫脆。鋼材放置一段時(shí)間后能消除的是可逆氫脆,反之為不可逆氫脆。

目前氫脆現(xiàn)象的主流理論有氫壓理論[6]、弱鍵理論[7]、表面吸附理論[8]及氫促進(jìn)局部塑性變形理論[9]等。

氫壓理論是指隨著溫度的降低鋼中析出氫原子,并在鋼的孔隙中結(jié)合成氫分子,體積迅速增大,產(chǎn)生壓力,導(dǎo)致孔隙周圍金屬開(kāi)裂[6]。氫壓理論能很好地解釋鋼中的白點(diǎn)和氫鼓泡等不可逆氫脆損傷的機(jī)制,但難以解釋氫致延遲斷裂等可逆氫脆損傷的機(jī)制。

弱鍵理論主要是指氫原子s帶電子進(jìn)入過(guò)渡族金屬原子未被填滿的d電子帶,使原子間的排斥力增大,鍵合力降低,而且隨著氫濃度的增大,鍵合力進(jìn)一步降低[10],因此較小的外力就能使材料脆斷。但該理論目前還不能解釋非過(guò)渡族金屬的氫脆現(xiàn)象。

表面吸附理論認(rèn)為,氫被吸附到金屬表面裂紋附近使表面能降低,導(dǎo)致材料脆化[10]。然而,SO2、CO2等氣體也會(huì)被吸附在金屬表面但不會(huì)引發(fā)延遲斷裂,因此表面吸附理論仍不夠完善。

此外還有氫促進(jìn)局部塑性變形理論。該理論認(rèn)為,在一定條件下,氫原子會(huì)促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生局部變形,并導(dǎo)致變形處塑性斷裂[11]。

近年來(lái),關(guān)于氫脆損傷的機(jī)制尚無(wú)定論,目前普遍認(rèn)為幾種斷裂機(jī)制同時(shí)存在,但更傾向于氫壓理論,認(rèn)為材料內(nèi)氫原子向位錯(cuò)、孔隙等缺陷處擴(kuò)散和聚集并結(jié)合成分子進(jìn)而產(chǎn)生氫壓,并在內(nèi)、外應(yīng)力的作用下發(fā)生局部塑性變形進(jìn)而斷裂[12]。

1.2 氫擴(kuò)散機(jī)制

氫原子半徑比金屬原子小,因此金屬中的氫原子會(huì)從金屬原子的間隙向內(nèi)擴(kuò)散。環(huán)境中的氫分子吸附在鋼表面分解成原子并擴(kuò)散到晶格內(nèi),且這種擴(kuò)散是無(wú)序的。

氫通常以原子或離子的形式存在于晶體的間隙中,也會(huì)以氣體分子的形式存在于孔洞、裂紋等缺陷處,或與金屬離子結(jié)合形成第二相[13]。

Darken等[14]于20世紀(jì)50年代提出氫陷阱的概念,鋼中的位錯(cuò)、夾雜及晶界等可作為氫陷阱捕獲氫原子,且會(huì)影響氫在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)。

鋼中的氫陷阱能束縛擴(kuò)散到晶格的氫原子使其不能在晶格間擴(kuò)散,降低鋼中氫擴(kuò)散系數(shù)。在鋼中加入合金元素形成的碳化物也是氫陷阱,能改善鋼的抗氫脆性能,碳化物尺寸越小分布越均勻,越有利于氫的捕集[15]。

國(guó)外在20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn),氫陷阱和氫之間存在結(jié)合能,結(jié)合能大于50 kJ/mol的為不可逆陷阱,且陷阱中的氫會(huì)被氫陷阱吸附,無(wú)外力影響很難移動(dòng)到晶格間隙中,從而束縛氫原子直至飽和[16]。若結(jié)合能小于30 kJ/mol,則為可逆氫陷阱,且陷阱中的氫原子可通過(guò)晶格間隙在金屬中移動(dòng),室溫下氫也能從陷阱中逸出進(jìn)入晶格間隙[17]。氫陷阱及部分氫陷阱的結(jié)合能如圖1和表1所示[18-19]。

氫脆損傷的發(fā)生取決于氫陷阱能容納的氫量,氫濃度超過(guò)臨界濃度就會(huì)萌生裂紋。但不可逆氫陷阱能抑制氫致裂紋的萌生,并防止氫向易萌生裂紋的潛在部位聚集,因此金屬中形成不可逆氫陷阱能提高高強(qiáng)鋼的抗氫脆性能。

圖1 金屬中氫的原子尺度(a)和微觀尺度(b)分布的示意圖[18]Fig.1 Schematic diagram of atomic-scale(a) and micro-scale(b) distributions of hydrogen in metal[18]

表1 不同氫陷阱的結(jié)合能Table 1 Binding energy of different hydrogen traps

2 汽車用高強(qiáng)鋼氫脆損傷的研究進(jìn)展

2.1 雙相鋼

雙相(DP)鋼是第一代高強(qiáng)汽車用鋼,是目前較受關(guān)注的鋼種之一。DP鋼的強(qiáng)度和初始加工硬化率高,其抗拉強(qiáng)度可從500 MPa提高到1 200 MPa,國(guó)外汽車制造業(yè)大多采用了DP鋼[20]。DP鋼主要含Mn、Si、Cr、Nb等元素,其組織為鐵素體和馬氏體,具有較好的延展性和較高的強(qiáng)度[21]。

雙相鋼的氫脆損傷主要由馬氏體引起,因?yàn)轳R氏體具有高強(qiáng)度且對(duì)氫極為敏感。Koyama等[22]通過(guò)拉伸試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn),氫原子在馬氏體中的聚集促進(jìn)了馬氏體的斷裂,且裂紋從馬氏體向相界面擴(kuò)展。此外,Escobar等[19]研究發(fā)現(xiàn),DP鋼中存在Al-Mn-O-S和MnS等夾雜物,能作為氫陷阱捕獲氫原子,且MnS的陷阱結(jié)合能較高,是不可逆氫陷阱。

馬氏體的缺陷能作為氫陷阱束縛鋼中的氫,從而改善DP鋼的抗氫脆性能。研究表明,室溫下有效氫擴(kuò)散系數(shù)從大到小依次為鐵素體、奧氏體、馬氏體[23]。Escobar等[19]采用熱脫附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),馬氏體鋼中存在可逆氫陷阱,能捕捉可擴(kuò)散氫原子。

鐵素體中的位錯(cuò)和碳化物也影響氫原子的擴(kuò)散。Tasi等[24]研究發(fā)現(xiàn),雙相鋼中的TiC不但能降低氫擴(kuò)散系數(shù),還可防止氫原子在晶格間聚集。DP鋼中典型氫陷阱的陷阱結(jié)合能如表2所示。

表2 DP鋼中典型氫陷阱的陷阱結(jié)合能[25]Table 2 Trapping binding energy of typical hydrogen traps in DP steel[25] kJ/mol

2.2 Q &P鋼

根據(jù)M3理論,第3代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的組織應(yīng)是具有硬基體+增塑相的復(fù)相組織[24],Q &P鋼是根據(jù)M3理論通過(guò)Q &P處理獲得馬氏體和殘留奧氏體的高強(qiáng)鋼。2010年,寶鋼首次研發(fā)第3代先進(jìn)高強(qiáng)Q &P鋼,其抗拉強(qiáng)度不低于980 MPa。隨后寶鋼不斷改良Q &P鋼,到2019年其抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1 500 MPa,斷后伸長(zhǎng)率更是同級(jí)別馬氏體鋼的2倍[26]。目前,寶鋼已成功開(kāi)發(fā)出不同種類的Q &P鋼。

馬氏體是鋼的基體組織,殘留奧氏體是塑性相,變形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生TRIP效應(yīng)[27]。Q &P處理是利用馬氏體中的碳原子使部分奧氏體保留至室溫,以獲得馬氏體+殘留奧氏體的復(fù)相組織[28]。但TRIP效應(yīng)會(huì)使未回火馬氏體誘發(fā)氫致裂紋的萌生和擴(kuò)展[29],導(dǎo)致Q &P鋼的氫脆敏感性提高。

研究表明,馬氏體是氫脆敏感性最大的組織[30],低于0.1×10-6的氫含量足以造成馬氏體鋼發(fā)生氫脆[31]。普遍認(rèn)為,Q &P鋼的殘留奧氏體能降低氫脆敏感性。

根據(jù)氫陷阱理論,高強(qiáng)鋼的氫脆是由可擴(kuò)散氫原子引起的,因此可通過(guò)增加氫陷阱來(lái)減少能自由擴(kuò)散的氫原子,以改善高強(qiáng)鋼的抗氫脆性能[16]。研究表明,奧氏體的氫溶解度遠(yuǎn)大于馬氏體,氫擴(kuò)散速率也小于馬氏體,奧氏體與基體間的界面也能產(chǎn)生氫陷阱[32],因此殘留奧氏體可作為氫陷阱捕捉氫原子。

Q &P鋼具有較好抗氫脆性能的必要條件是殘留奧氏體穩(wěn)定。主流觀點(diǎn)認(rèn)為,形態(tài)是影響殘留奧氏體穩(wěn)定性的主要因素。通常殘留奧氏體的穩(wěn)定性隨碳含量的增加而提高。Xiong等[33]認(rèn)為,影響殘留奧氏體穩(wěn)定性的重要因素是形態(tài),通常為塊狀和薄膜狀。Wang等[31]認(rèn)為,板條馬氏體之間的薄膜狀殘留奧氏體能有效提高抗氫脆性能,經(jīng)Q &P處理的Fe-0.22C-1.40Si-1.80Mn鋼的顯微組織如圖2所示。圖中,白色為鐵素體,紅色為殘留奧氏體,灰色為馬氏體/殘留奧氏體。目前通常將熱加工溫度提高到Ac3以上,以便僅能形成薄膜狀殘留奧氏體,提高Q &P鋼的綜合性能。

圖2 經(jīng)Q &P處理的Fe-0.22C-1.40Si-1.80Mn鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of Fe-0.22C-1.40Si-1.80Mn steel after Q &P treatment

圖2表明,殘留奧氏體有塊狀和薄膜狀兩種形態(tài),前者主要分布在鐵素體晶內(nèi)(方塊1和2)和原奧氏體晶界(方塊3),后者主要分布在馬氏體板條間(方塊4)。

2.3 熱成形鋼

除了傳統(tǒng)的冷沖壓工藝外,隨著汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展,還開(kāi)發(fā)了熱沖壓成形工藝,是將鋼板加熱奧氏體化,沖壓成形后淬火獲得馬氏體。熱沖壓件具有精度高、強(qiáng)度高(接近1 400 MPa)、厚度薄等優(yōu)點(diǎn)[34]。

熱沖壓成形技術(shù)最早應(yīng)用于農(nóng)機(jī)制造,1984年熱沖壓成形技術(shù)首次應(yīng)用于汽車防撞梁,隨后熱成形件越來(lái)越多。2002—2012年,熱成形鋼從占車身質(zhì)量的7%提升到了38%,全球熱成形件生產(chǎn)也得到了飛速發(fā)展,從1997年的800萬(wàn)件到2007年的1.07億件,再到2020年的10億件[35]。雖然我國(guó)熱成形鋼的研究起步較晚,到2013年才建成首條熱沖壓生產(chǎn)線,但到2019年已達(dá)到180條(含在建)[36]。

近年來(lái),熱成形鋼的強(qiáng)度也在提高,從1 500 MPa級(jí)、1 600 MPa級(jí)到1 800 MPa級(jí),北京科技大學(xué)研發(fā)出了抗拉強(qiáng)度不低于2 000 MPa級(jí)的高強(qiáng)度熱成形鋼[27],寶鋼股份也自主開(kāi)發(fā)出了2 000 MPa級(jí)高強(qiáng)塑積熱成形鋼,與普通1 500 MPa級(jí)熱成形鋼相比,可使零件質(zhì)量降低15%[37]。

熱成形鋼的顯微組織主要是馬氏體和少量殘留奧氏體,馬氏體的氫脆敏感性較高,而奧氏體有較好的抗氫脆性能。在應(yīng)力誘導(dǎo)形變后,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,且兩者界面易萌生裂紋,因此奧氏體的穩(wěn)定性對(duì)材料抗氫脆損傷性能的影響較大[38],加入Mn、Ni等穩(wěn)定奧氏體的元素可提高熱成形鋼的抗氫脆性能。研究表明,Cu對(duì)氫原子的親和力較小,鋼中加入Cu能有效降低氫脆敏感性[39]。

Loidl等[40]通過(guò)對(duì)不同強(qiáng)度的熱成形鋼和馬氏體鋼進(jìn)行充氫拉伸試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)其氫脆敏感性,結(jié)果表明,熱成形鋼與馬氏體鋼的臨界氫濃度超過(guò)4×10-6后就極可能發(fā)生沿晶開(kāi)裂,馬氏體含量較高的鋼更易發(fā)生氫致斷裂。

Lee等[41]對(duì)熱成形高錳鋼進(jìn)行了充氫拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)淬火態(tài)鋼對(duì)氫脆最敏感,回火會(huì)降低氫脆敏感性。張永健[42]通過(guò)電解充氫及靜載荷試驗(yàn)研究了熱處理對(duì)熱成形MnB鋼抗氫脆損傷性能的影響,結(jié)果表明,淬火后熱成形鋼的氫脆損傷最嚴(yán)重,而回火能明顯改善抗氫脆損傷性能。這是因?yàn)榛鼗鹛岣吡藵B碳體在鋼中的分布密度,能作為氫陷阱有效捕捉氫原子。

張施琦等[43]采用恒載荷和雙電解池氫滲透等方法研究了Nb含量對(duì)MnB5高錳鋼抗氫脆性能的影響,結(jié)果表明,適量的Nb有利于提高鋼的抗氫脆性能。這是因?yàn)槲龀龅腘bC第二相是結(jié)合能較高的不可逆氫陷阱,氫原子很難從其中脫附。進(jìn)一步的研究[42]表明,NbC顆粒能捕獲并釘扎游離氫,有效防止氫在晶格間的擴(kuò)散,還具有細(xì)化晶粒的作用,能延緩氫致開(kāi)裂,因此在熱成形鋼中添加Nb能有效改善其抗氫脆損傷性能。

程亞杰等[44]通過(guò)動(dòng)態(tài)充氫、恒載荷及雙電解池氫滲透等試驗(yàn)研究了軋制溫度對(duì)含Nb熱成形鋼抗氫脆性能的影響,結(jié)果表明,隨著始軋溫度從1 000 ℃降至950 ℃,鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)減小,抗氫脆性能提高。這是由于950 ℃時(shí)析出相尺寸比1 000 ℃時(shí)減小了20 nm左右,能作為氫陷阱更好地捕捉氫原子,從而提高抗氫脆性能。

2.4 中錳TRIP鋼

TRIP效應(yīng)是在鋼中加入Ni、Cr等元素使亞穩(wěn)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體獲得較高的塑性。但TRIP鋼是第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼,強(qiáng)塑積較低。根據(jù)第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的研發(fā)思路及Mn元素的奧氏體穩(wěn)定化作用,在傳統(tǒng)TRIP鋼的基礎(chǔ)上加入10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)左右的Mn,并在兩相區(qū)進(jìn)行退火以獲得鐵素體基體+亞穩(wěn)奧氏體組織,以提高鋼的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率[45]。

根據(jù)以上研發(fā)思路,國(guó)內(nèi)鋼鐵研究總院率先進(jìn)行了中錳TRIP鋼的研制,并在實(shí)驗(yàn)室獲得了抗拉強(qiáng)度接近1 600 MPa、強(qiáng)塑積接近50 GPa·%的高性能TRIP鋼,目前太鋼和寶鋼都已開(kāi)始工業(yè)化試制。

中錳鋼的抗拉強(qiáng)度高,氫脆問(wèn)題也較嚴(yán)重。中錳TRIP鋼成形過(guò)程中的TRIP效應(yīng)及其內(nèi)部氫原子反應(yīng)會(huì)降低成形件的性能,并且亞穩(wěn)奧氏體在成形后會(huì)被馬氏體取代[46],進(jìn)一步降低其抗氫脆性能。

徐娟萍[47]研究了Fe-Mn-C系中錳鋼的抗氫脆性能,結(jié)果表明,熱軋中錳鋼的原奧氏體晶界和馬氏體為氫脆開(kāi)裂點(diǎn),冷軋后退火可獲得鐵素體和奧氏體等軸晶粒,使氫原子均勻分布,從而降低萌生裂紋的可能性。

朱旭[12]進(jìn)行了充氫+慢速率拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明,中錳TRIP鋼的氫脆敏感性遠(yuǎn)大于Q &P鋼,微量的氫就會(huì)導(dǎo)致氫致斷裂。氫含量較低時(shí)試樣變形后不久就發(fā)生了斷裂,而氫含量較高時(shí)試樣在變形階段就斷裂。拉伸過(guò)程中,受應(yīng)力影響會(huì)誘發(fā)氫致裂紋的萌生和擴(kuò)展使其斷裂,說(shuō)明應(yīng)力強(qiáng)度是影響中錳TRIP鋼氫致裂紋萌生的關(guān)鍵因素。杜預(yù)[48]對(duì)充氫后的中錳鋼(5%Mn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)拉伸試樣的斷口均呈韌窩狀,表明是韌性斷裂。這與奧氏體的作用密不可分,因?yàn)閵W氏體的塑性變形性能較好,對(duì)氫損傷有一定的緩解作用。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,TRIP效應(yīng)會(huì)加劇氫脆敏感性,降低中錳TRIP鋼的抗氫脆性能。而奧氏體具有減小氫脆敏感性的作用,提高奧氏體的穩(wěn)定性是提升中錳TRIP鋼抗氫脆損傷的重要措施。

3 氫脆損傷的檢測(cè)方法

3.1 電解充氫法

為研究鋼的氫脆,通常對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)充氫或在含氫環(huán)境中試驗(yàn)。高強(qiáng)鋼在使用中發(fā)生的氫脆通常是第一類氫脆。為了快速得到充滿氫的金屬試樣,實(shí)驗(yàn)室通常采用電解充氫法。電解充氫能在一定時(shí)間內(nèi)向試樣充入足量的氫且操作簡(jiǎn)單,因而得到廣泛應(yīng)用。電解充氫裝置如圖3所示。

圖3 電解充氫裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the electrolysis hydrogenating device

為了進(jìn)一步研究鋼的氫脆行為,通常采用電解充氫法對(duì)拉伸試樣進(jìn)行充氫以分析氫脆損傷的機(jī)制。其思路是使外界的氫原子向試樣內(nèi)擴(kuò)散,使鋼發(fā)生氫脆損傷,并對(duì)充氫后的試樣進(jìn)行緩慢拉伸,分析金屬的氫脆損傷程度。

3.2 雙電解池氫滲透法

研究氫在金屬中的擴(kuò)散一般采用準(zhǔn)彈性中子散射法、動(dòng)態(tài)內(nèi)耗法、電化學(xué)滲透法等[49]。準(zhǔn)彈性中子散射法雖然適應(yīng)性強(qiáng),但易受散射干擾且操作復(fù)雜,并不常用。動(dòng)態(tài)內(nèi)耗法雖能準(zhǔn)確測(cè)量氫的擴(kuò)散系數(shù),但只適用于過(guò)渡金屬,其應(yīng)用也有一定的局限性。用電化學(xué)滲透法研究氫在金屬中的擴(kuò)散速率是Devanathan和Stachurski[50]提出的,在隨后的研究中,Yamakawa等[51]設(shè)計(jì)的氫傳感器中開(kāi)始用NaOH溶液作電解液,并采用氧化汞電極作參比電極。由于氧化汞電極有毒,所以之后的研究采用了無(wú)毒的飽和甘汞電極。目前研究多通過(guò)雙電解池氫滲透試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)金屬中氫含量及氫的擴(kuò)散速率與充氫電流之間的關(guān)系。電化學(xué)雙電解池氫滲透裝置示意圖如圖4所示。

圖4 電化學(xué)雙電解池氫滲透裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of hydrogen penetration device provided with electrochemical double electrolytic cell

電解充氫是以試樣作電極浸泡在溶液中,要有足量的氫進(jìn)入金屬,或使充氫量相同。雙電解池氫滲透法一般是試片的一個(gè)面接觸充氫池(陰極室),另一面接觸釋氫池(陽(yáng)極室)。氫滲透試驗(yàn)一般要測(cè)量出氫滲透曲線,分析金屬中吸收和逸出的氫。

3.3 氫脆斷裂檢測(cè)方法

目前常用的檢測(cè)方法為恒載荷拉伸試驗(yàn)、恒應(yīng)變延遲斷裂試驗(yàn)及慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn),但前兩種方法缺點(diǎn)較多,除特殊情況一般較少采用。恒載荷拉伸試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng),裂紋形成前固定載荷使裂紋萌生后有效承載截面積減小,應(yīng)力增大。恒應(yīng)變延遲斷裂試驗(yàn)的缺點(diǎn)是彎曲應(yīng)力難以相同,且試驗(yàn)結(jié)果分散性較大。

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)已被廣泛用于檢測(cè)高強(qiáng)鋼的氫脆敏感性,主要是對(duì)靜態(tài)充氫或動(dòng)態(tài)充氫后的高強(qiáng)鋼試樣進(jìn)行慢拉伸,應(yīng)變速率為10-3～10-7s-1,能檢測(cè)高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、斷面收縮率及斷后伸長(zhǎng)率等受氫影響的力學(xué)性能。其優(yōu)點(diǎn)是速度快,能模擬實(shí)際使用環(huán)境,且涵蓋了氫致斷裂的全過(guò)程(孕育期、裂紋擴(kuò)展和斷裂)。

采用氫熱脫附儀可測(cè)定鋼中擴(kuò)散氫和不可擴(kuò)散氫的含量,其原理如圖5所示[25]。將充氫試樣以一定的速率加熱至設(shè)定溫度,使氫在加熱過(guò)程從試樣中逸出,根據(jù)氫逸出曲線的積分面積計(jì)算氫含量。

圖5 氫熱脫附儀及其原理圖[25]Fig.5 Hydrogen thermal desorption spectrometer and its schematic diagram[25]

4 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼氫脆損傷研究的現(xiàn)狀。其中雙相鋼、Q &P鋼、熱成形鋼、中錳TRIP鋼等可用作汽車制造的先進(jìn)高強(qiáng)鋼抗拉強(qiáng)度均超過(guò)1 000 MPa,熱成形鋼甚至可達(dá)2 000 MPa。但是隨著強(qiáng)度的提高,鋼的氫脆損傷也容易發(fā)生,因而鋼的氫脆現(xiàn)象越來(lái)越受到汽車制造業(yè)的關(guān)注。通過(guò)檢測(cè)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的氫脆敏感性和氫脆臨界參數(shù)來(lái)防止或減少氫脆損傷,研發(fā)新一代抗氫脆性能更好的鋼種是未來(lái)的發(fā)展方向。