摘 要：現代工業迫切需要提高鋼結構材料的強度，但鋼材隨著強度提高對氫的敏感性也升高，特別當抗拉強度超過1200MPa時，高強鋼由氫引起的斷裂更為嚴重。因此，在高強鋼的開發進程中，必須進行延遲斷裂敏感性評價。本文總結了國內外高強鋼的延遲斷裂敏感性評價方法，指出臨界氫濃度與環境中的氫侵入行為結合是延遲斷裂敏感性評價的有效方法。

    隨著現代工業的發展，對材料性能的要求越來越高，如汽車的輕量化、海洋開發的深海化、橋梁的超長化等對鋼的強度提出了更高的要求，許多國家都非常重視高強鋼的開發。 在日本、韓國和中國分別投入巨資實施的“超級鋼計劃”、“高性能結構鋼計劃”和“新一代鋼鐵材料的重大基礎研究”中，高強鋼的開發是其中的一個重要研究課題。但是，鋼的強度越高，對氫的敏感性也越高，人們將這種由氫引起的材料斷裂稱為氫脆或延遲斷裂。延遲斷裂常在不可預知的情況下突然發生，往往導致較為嚴重的破壞和后果。高強鋼服役期間由于延遲斷裂引起的事故不勝枚舉，不僅給國民經濟造成巨大損失，還會給人們的日常生活和生產帶來嚴重影響。因此，必須對高強鋼進行氫致延遲斷裂敏感性研究。

    目前，人們對高強鋼的延遲斷裂敏感性有很多評價方法，但是一致認為高強鋼的延遲斷裂是由氫引起的。延遲斷裂的發生除了依存于鋼材本身材料因素外，還依存于環境因素（外氫侵入）和應力因素。因此，很多研究者考慮從實際環境或鋼材內氫含量出發作為評價鋼材的延遲斷裂敏感性的指標，本文主要對材料發生斷裂的臨界氫濃度進行研究。

    1 臨界氫濃度力學評價方法

    1992年鈴木等人用升溫解析法（Thermal Des?orption Analysis, TDA） 在恒載荷條件下成功測出高強鋼內的可擴散氫濃度（Diffusible hydrogen content,HD），具有較好的重現性，最低檢測限可達0.1×10-6（質量分數）。 鈴木等提出鋼的氫致延遲斷裂存在一個臨界氫濃度HC，目前把HC作為參數研究高強鋼延遲斷裂敏感性，主要有恒載荷試驗法（Constant Loading Test,CLT），慢拉伸試驗法（Slow Strain Rate Test, SS?RT）和常規拉伸試驗法（Conventional Strain Rate Technique,CSRT）等。

    1.1 CLT 測臨界氫濃度

    平井等對開發的F10T高強螺栓鋼進行延遲斷裂敏感性評價，采用CLT實驗法研究了缺口試樣的應力集中因子Kt對HC的影響。結果表明，HC隨著試樣應力集中因子的增大而減小。Wang等用恒載荷試驗對抗拉強度為1500和1300MPa的AISI4135鋼（分別表示為B15，B13）進行了臨界氫濃度測試。所用缺口試樣的Kt值為4.9和2.1。試樣首先在0.1N的NaOH溶液中進行預充氫，試樣48h預充氫后表面經過電鍍鉻以防止試樣內氫散出，然后在室溫下放置24h使試樣內部氫分布均勻。恒載荷試驗在室溫下0.9σB對試樣加載，最大測試時間為100h。試樣斷裂后立刻保存在液氮中直到用TDS對其進行氫濃度測試。100h內沒有斷裂的試樣也用同樣辦法進行氫濃度測試。圖1為恒載荷下測得的B15和B13的臨界氫濃度。可以看出，試樣斷裂時間隨氫濃度的降低而延長，試樣在最終斷裂前在起裂區有氫濃度積聚過程。從圖1中還可以看出，當氫濃度低于某個臨界值時斷裂不會發生，這個臨界值可以認為是這兩種材料0.9σB應力下的臨界氫濃度HC。對于Kt4.9的缺口試樣，B15鋼的HC為0.04×10-6，B13鋼0.28×10-6，Kt是2.1的B15鋼HC為0.2×10-6。所以，發生延遲斷裂時的臨界氫濃度隨著試樣的應力集中系數或者抗拉強度的降低而增大。

圖1 恒載荷實驗測得1500MPa（B15）和1300MPa （B13）AISI4135鋼的臨界氫濃度

    1.2 SSRT測臨界氫濃度

    對某一材料，能否發生延遲斷裂取決于應力狀態和鋼中的氫量。用CLT可以出測高強鋼在一定載荷下的臨界氫濃度，但是需要大量試樣只能測出一個應力水平下的臨界氫濃度，并且試驗需要很長時間，比如100h。所以Wang等使用慢拉伸實驗（拉伸速度0.005mm·min-1）結合氫濃度測試技術對幾種高強鋼進行了延遲斷裂敏感性測試，用較少的試樣測出應力-氫濃度的關系，并且大大縮短了實驗時間。他們用抗拉強度為1300MPa的AISI4135鋼采用慢拉伸實驗發現，應力與氫濃度存在冪函數關系。

    對缺口試樣電化學預充氫以后，在慢拉伸試驗機上進行斷裂應力測試，用TDA對斷裂后的試樣進行氫濃度分析。用慢拉伸實驗結合氫分析技術可以得出應力-臨界氫濃度關系，慢拉伸試樣斷裂時間一般在6h左右，可以大大縮短實驗時間。圖2為不同應力集中因子試樣的缺口抗拉強度與氫濃度關系。可以看出，隨著應力集中系數的減小，高強鋼的耐延遲斷裂敏感性提高。

圖2 不同應力集中因子試樣的缺口抗拉強度與氫濃度關系

    1.3 CSRT 測臨界氫濃度

    SSRT法已經表明在起裂區臨界“最大應力-可擴散氫濃度”是材料的本身性質，但是SSRT比較困難復雜，因為它需要用一個特定的測試機器并且需要時間。荻原等提出用CSRT方法評價高強鋼的延遲斷裂敏感性，將拉伸速度提升至約1mm min-1時，可以忽略應力導致的氫擴散。他們對試樣進行電化學預充氫，然后進行CSRT測試。為了與Wang等的SSRT實驗結果比較，荻原等采用B13鋼進行試驗。他們對不同缺口試樣首先進行大濃度范圍的電化學預充氫，然后用CSRT實驗方法進行應力測試，實驗結果如圖3所示。與圖2相似，CSRT法測得抗拉強度與氫濃度也符合冪函數關系，根據CSRT和FEM計算的結果表明，發生延遲斷裂部位的最大應力和可擴散性氫濃度的關系也是單一的冪函數關系，與試樣的缺口形狀無關。與Wang等用SSRT實驗的結論是一致的，并且斷口形貌與SSRT實驗也是相同的，所以CSRT可以用來快速有效的評價高強鋼延遲斷裂敏感性。

圖3 CSRT 實驗法測得缺口試樣抗拉強度隨氫濃度的變化

    2 大氣腐蝕環境的氫侵入評價方法

    HC（臨界氫濃度）是研究高強鋼延遲斷裂敏感性的必要條件，但是在應用環境中進入的氫對延遲斷裂的影響也需要考慮。環境氫進入試樣是由材料在環境中的腐蝕行為引起的，關于材料的腐蝕國內外學者做了很多研究。如Dong和Wu等對不同鋼材在多種環境中的腐蝕行為進行了深入系統研究，王儉秋等研究了在濕H2S環境中鋼的腐蝕性能，王振堯等研究了周期干濕浸條件下兩種鋼的大氣腐蝕行為。

    2015年李曉剛教授團隊在Nature期刊提出了“腐蝕大數據”的原創概念，并圍繞這一概念，提出處理“腐蝕大數據”理論層面的關鍵研究。研究環境氫可以使我國的腐蝕領域發展更深入更系統全面，海洋環境、石油天然氣輸送、大氣環境等腐蝕環境侵入的氫均能使高強鋼發生延遲斷裂。Li等研究了1700MPa級螺栓用鋼的延遲斷裂敏感性：試樣經電化學預充氫進行SSRT和TDA測試分析，該材料的HC明顯高于其它材料，表現出非常好的耐延遲斷裂性能；但是該材料經大氣環境暴露實驗表明：大氣環境進入材料的氫對其強度的影響非常大。Li等采用電化學氫滲透實驗，研究了純鐵中氫隨循環腐蝕環境CCT的濕度和鹽霧變化關系，并采用大氣腐蝕監控裝置（Atmo?spheric Corrosion Monitor，ACM）監測對應的腐蝕電流，如圖4所示。結果表明，隨著環境濕度的升高氫滲透電流增大，在98%濕度和鹽霧階段氫滲透電流最高，對應的腐蝕電流也最高；氫滲透電流在濕度由98%降至50%的干燥階段，出現電流峰值卻沒有監測到明顯的腐蝕電流，該現象對實際大氣環境暴露試樣更為明顯，說明了氫侵入行為與腐蝕行為復雜的對應關系。

圖4 純鐵的電化學氫滲透電流和腐蝕電流隨濕度和鹽霧的變化關系

    3 結語

    綜上所述，利用臨界氫濃度研究可以有效評價高強鋼延遲斷裂敏感性。但是目前高強鋼延遲斷裂試驗尚存在諸多困難。

    （1）沒有統一的評價延遲斷裂敏感性的實驗方法，相互之間缺乏互比性。沒有統一的延遲斷裂實驗方法已成為高強鋼實用化的最大障礙。

    （2）延遲斷裂測試的試驗周期一般較長，如何縮短試驗周期，加速延遲斷裂實驗過程，也是需要解決的問題。

    （3）實際應用環境中氫侵入極其復雜，環境氫對高強鋼延遲斷裂敏感性的研究是該領域重要的研究課題。

    因此，把發生斷裂的臨界氫濃度與環境中的氫侵入行為研究相結合，探討科學的延遲斷裂敏感性評價方法是高強鋼開發的關鍵環節之一。

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責任編輯：王元

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