氫致高強(qiáng)鋼延遲斷裂行為分析 
隨著工程機(jī)械、汽車等行業(yè)的快速發(fā)展,，為降低成本,、增“強(qiáng)”減重，以實(shí)
現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo),，國(guó)內(nèi)外廣泛探索工程機(jī)械及汽車的輕量化方法,。要zui大限度
地減輕設(shè)備質(zhì)量，一個(gè)有效的途徑就是提高鋼的強(qiáng)度級(jí)別,。近年來,，工程機(jī)械用
鋼從 500~600MPa 級(jí)快速上升至 800MPa、1000MPa,，甚至 1500MPa,。然而，隨著強(qiáng)
度提高,，鋼的延遲斷裂敏感性也隨之增大,，氫致延遲斷裂敏感性高已經(jīng)成為制約
高強(qiáng)度級(jí)別鋼種推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素。   
高強(qiáng)鋼的氫致延遲斷裂現(xiàn)象  
延遲斷裂是材料在靜止應(yīng)力的作用下,，經(jīng)過一定時(shí)間后突然發(fā)生脆性破壞的
一種現(xiàn)象,，它是材料—環(huán)境—應(yīng)力之間相互作用的結(jié)果，是氫致材質(zhì)惡化的一種
形態(tài),。延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于材料內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中的部位擴(kuò)散聚集,，這
些應(yīng)力集中的部位往往缺陷較多（原子點(diǎn)陣錯(cuò)位、空穴等）,，氫擴(kuò)散到這些缺陷
處,，氫離子合成氫原子，氫原子進(jìn)一步合成氫分子,，將產(chǎn)生巨大的壓力,。這個(gè)壓
力與材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力以及材料服役狀態(tài)下所承受的外加應(yīng)力，形成一個(gè)合力,，
當(dāng)這個(gè)合力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí),，就會(huì)導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。  
由于延遲斷裂常常在材料所承受的外加應(yīng)力水平顯著低于其屈服強(qiáng)度時(shí)突
然發(fā)生,，具有其不可預(yù)知性,，因此,，往往導(dǎo)致較為嚴(yán)重的破壞和后果。隨著超高
強(qiáng)度級(jí)別鋼的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,，延遲斷裂現(xiàn)象受到更大程度的關(guān)注,。
以汽車零部件為例，其產(chǎn)品形狀復(fù)雜,，變形量大,，車廠、零部件制造商及材料供
應(yīng)商對(duì)延遲斷裂性能更加重視,，已經(jīng)成為材料性能認(rèn)證項(xiàng)目之一,。   
延遲斷裂行為的影響因素   
金屬材料的延遲斷裂行為是在材料、環(huán)境和應(yīng)力三者共同作用下發(fā)生的,，與
材料的特性以及受力狀態(tài),、服役環(huán)境密切相關(guān),。  
材料強(qiáng)度的影響,。一般來講材料的強(qiáng)度越高，其延遲斷裂敏感性越大,。一般
認(rèn)為 1000MPa 是一個(gè)危險(xiǎn)的水平,，即抗拉強(qiáng)度低于 1000MPa 時(shí)鋼材耐延遲開裂的
性能相對(duì)較好，而當(dāng)材料強(qiáng)度大于 1000MPa 時(shí),，其延遲斷裂敏感性較高,。  
合金成分的影響。不同的合金元素會(huì)對(duì)材料的延遲斷裂行為產(chǎn)生不同的影響,。
研究發(fā)現(xiàn),，隨著鋼中（Mn+0.5Si+S+P）含量的升高，4340 系列鋼材發(fā)生氫致延遲
斷裂的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子隨之下降,，說明其斷裂敏感性逐漸升高,。這是由于鋼中
C、S,、P,、Si、Mn 等元素的偏析會(huì)促進(jìn)腐蝕環(huán)境下氫的吸收,，從而增大材料的氫
致延遲斷裂敏感性,，使得材料在較低的應(yīng)力水平下即發(fā)生斷裂。而 Ti,、V,、Mo、
Ni,、Nb 等元素可細(xì)化晶粒,，提高材料的韌性,，減少偏析，而且所形成的細(xì)小析出
物有利于形成氫的捕獲陷阱,，從而降低材料的延遲斷裂敏感性,。此外，也有研究
指出,，Al 元素的添加可以顯著改善含錳 TWIP 鋼的氫致開裂敏感性,。  
微觀組織的影響。由于氫在不同組織中的擴(kuò)散速度和儲(chǔ)存能力不同,，因此,，
材料的微觀組織對(duì)延遲斷裂敏感性的影響很大。從金相組織上講,，相比于奧氏體
和全珠光體組織,，鐵素體—馬氏體和單一馬氏體組織鋼材具有更高的氫致延遲斷
裂敏感性。此外,，相同的應(yīng)力水平下,，加工誘發(fā)馬氏體的含量越高，延遲斷裂敏
感性越大,；在相同的強(qiáng)度水平下,，含 Mo 的高溫回火馬氏體組織，比普通回火馬
氏體鋼的極限擴(kuò)散氫含量高,，延遲斷裂敏感性降低,。同時(shí)，材料微觀組織上的不
均勻性,，如晶界,、相界等，由于原子錯(cuò)排和局部應(yīng)力場(chǎng)的存在,，會(huì)成為氫的捕獲
陷阱或氫快速傳輸?shù)耐ǖ?，從而影響材料的氫致延遲開裂行為。此外,，降低晶粒
尺寸,，晶界處吸附的氫含量減少，也有利于改善材料沿晶界開裂的敏感性,。  
加工缺陷的影響,。高強(qiáng)鋼的加工會(huì)經(jīng)歷彎曲、拉拔,、冷軋等工藝,，不同的加
工方式會(huì)在材料上留下微孔、微裂紋和位錯(cuò)等缺陷,，這些缺陷位置會(huì)成為氫的捕
獲陷阱或者提供氫原子快速傳輸?shù)耐ǖ?，在外力作用下還會(huì)在缺陷位置形成應(yīng)力
集中,，它們會(huì)對(duì)材料的氫致延遲開裂行為產(chǎn)生較大的影響。  
受力狀態(tài)的影響,。一方面,，金屬構(gòu)件在服役過程中會(huì)受到各種外力的作用；
另一方面,，材料本身也會(huì)因?yàn)椴煌募庸こ尚瓦^程而產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)變狀態(tài),。
高強(qiáng)鋼的主要成型工藝有折彎、擴(kuò)孔和翻邊,、淺拉伸等,，這些加工殘余應(yīng)變的存
在會(huì)促進(jìn)延遲斷裂的發(fā)生。研究認(rèn)為,，加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)變是外加應(yīng)
力和材料中的可擴(kuò)散氫含量之外的第三大導(dǎo)致高強(qiáng)鋼延遲斷裂失效行為發(fā)生的
重要因素,，氫致延遲斷裂行為發(fā)生的敏感區(qū)處于高外加應(yīng)力、高應(yīng)變和高濃度擴(kuò)
散氫含量的重合區(qū),。  
環(huán)境的影響,。環(huán)境主要是會(huì)影響氫向金屬材料內(nèi)部的滲透。金屬在各種致氫 
環(huán)境中,，如氫氣,、H2S 氣體和水溶液、水介質(zhì),、丙酮等有機(jī)溶液中，氫致延遲斷
裂敏感性會(huì)大大增加,。根據(jù)環(huán)境中氫來源的不同,，高強(qiáng)鋼的氫致延遲斷裂行為主
要分為以下兩類：一類是服役環(huán)境滲入的氫（外氫）引起的延遲斷裂，如橋梁用
高強(qiáng)鋼,，在潮濕大氣,、雨水等環(huán)境中長(zhǎng)期暴露發(fā)生腐蝕，由腐蝕反應(yīng)生成的氫侵
入鋼中而發(fā)生延遲斷裂,。另一類是酸洗,、電鍍、焊接等制造過程中侵入鋼中的氫
（內(nèi)氫）引起延遲斷裂,。以焊接為例,，它是一個(gè)局部冶煉過程，局部高溫可使焊
條及藥皮中所含的水分分解成氫原子進(jìn)入金屬,。這些過程引入的氫含量較高,，因
此，鋼材常常在施加應(yīng)力后的幾小時(shí)或幾天內(nèi)即發(fā)生延遲斷裂失效,。   
氫致延遲斷裂機(jī)理  
關(guān)于氫致延遲斷裂的機(jī)理,，近年來已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究,，但問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒
有解決。已經(jīng)提出的經(jīng)典理論主要有：氫壓理論,、氫降低表面能理論,、氫降低原
子鍵合力理論，以及氫促進(jìn)局部塑性變形理論等,。  
氫壓理論,、氫降低表面能理論和氫降低原子鍵合力（即弱鍵）理論均認(rèn)為，
氫致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展是原子面在正應(yīng)力作用下的整體解理過程,，即氫致脆性的
過程,。與此相反，氫致局部塑性變形理論則認(rèn)為任何斷裂過程都是局部塑性變形
的結(jié)果,。該理論認(rèn)為,，在存在應(yīng)力梯度的條件下，如裂紋附近,，由于應(yīng)力誘
導(dǎo)擴(kuò)散,，原子氫能富集在裂紋局部區(qū)域。當(dāng)有效氫濃度達(dá)到臨界值時(shí),，可以
使局部區(qū)域的表觀屈服應(yīng)力明顯下降,，于是在較低的應(yīng)力作用下就能產(chǎn)生氫致滯
后塑性并導(dǎo)致滯后斷裂，而且局部區(qū)域表觀屈服應(yīng)力的下降量明顯依賴于鋼的強(qiáng)
度和初始?xì)浜俊? 
總體來講,，上述 4 種經(jīng)典理論都有其局限性,，將氫促進(jìn)局部塑性變形理論和
弱鍵理論、氫壓理論聯(lián)合起來,，是今后研究的一個(gè)方向,，有可能發(fā)展新的氫致開
裂理論以解釋氫致韌斷和氫致韌脆轉(zhuǎn)變機(jī)理。  
延遲斷裂性能實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法  
材料的延遲斷裂性能受到許多因素影響,，但目前尚未形成通用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),，
在實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)材料的延遲斷裂性能往往采用加速型方法來進(jìn)行相對(duì)評(píng)價(jià)。目前,，
常見的延遲斷裂試驗(yàn)方法有如下幾種：  
恒載荷延遲斷裂試驗(yàn),。這種試驗(yàn)通常采用光滑或帶缺口的圓棒或平板試樣在 
恒載荷下拉伸，或者采用帶缺口的懸臂彎曲試樣,、四點(diǎn)彎曲試樣等,。對(duì)于此類實(shí)
驗(yàn)，一般用臨界應(yīng)力,、斷裂時(shí)間或者臨界氫濃度來評(píng)價(jià)材料的延遲斷裂敏感性,。  
恒應(yīng)變延遲斷裂試驗(yàn)。恒應(yīng)變延遲斷裂試驗(yàn)是使試樣處于恒定應(yīng)變的受力狀
態(tài)下，其主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)單,、經(jīng)濟(jì),、試樣緊湊，不需要特殊的裝置,，僅利用夾具或
螺栓緊固即可獲得應(yīng)力,。試樣的實(shí)際應(yīng)力隨工作截面的減少而降低。一般通過測(cè)
定延遲斷裂試樣占總試樣數(shù)目的百分比或試樣斷裂的時(shí)間,，來比較材料延遲斷裂
的敏感性,。  
慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)。目前,，國(guó)內(nèi)外已廣泛采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）
方法,，以促進(jìn)試樣在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生延遲斷裂并能敏感地反映材料的延遲斷裂
性能。通常用塑性（斷面收縮率,、伸長(zhǎng)率）損失,、zui大斷裂應(yīng)力、斷裂時(shí)間和吸
收能量等指標(biāo)評(píng)價(jià)給定材料-介質(zhì)體系對(duì)延遲斷裂的敏感性,。  
斷裂力學(xué)試驗(yàn),。這類方法采用預(yù)制裂紋試樣，其優(yōu)點(diǎn)主要是：縮短了裂紋產(chǎn)
生的時(shí)間,；真實(shí)反映了實(shí)際構(gòu)件中難免存在宏觀缺陷的情況,；可直接使用線彈性
斷裂力學(xué)公式；評(píng)價(jià)判據(jù) KISCC 或 KIH 不隨試樣而變,，可以應(yīng)用于設(shè)計(jì),。但是這
種方法只是評(píng)價(jià)氫致裂紋的擴(kuò)展，對(duì)于裂紋的產(chǎn)生不能提供任何信息,。 
沖杯試驗(yàn),。作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的氫致開裂評(píng)價(jià)方法，沖杯試驗(yàn)在歐洲應(yīng)用得較
為廣泛,。相比于 U 彎試驗(yàn)，沖杯試驗(yàn)中發(fā)生氫致開裂的臨界應(yīng)變與臨界氫含量更
高,，也即沖杯試驗(yàn)中材料在更高的應(yīng)變和可擴(kuò)散氫含量條件下才會(huì)發(fā)生氫致開裂,。 

深圳市泰立儀器儀表有限公司成立于2005年11月，是專業(yè)從事測(cè)試儀器儀表設(shè)備的代理,、銷售和服務(wù)工作,。并與國(guó)外儀器儀表生產(chǎn)廠商有著廣泛的技術(shù)與銷售合作的良好基礎(chǔ)。作為德國(guó)FOERSTER霍釋特,、美國(guó)Dakota達(dá)高特,、英國(guó)SONATEST聲納、英國(guó)ETHER NDE易德、美國(guó)GE通用,、日本SHIMPO新寶,、日本KANOMAX加野麥克斯、中國(guó)臺(tái)灣Motive一諾等公司的中國(guó)銷售代理,。主要銷售的儀器有：超聲波測(cè)厚儀,、超聲波探傷儀、汽車點(diǎn)焊探傷儀,、超聲波硬度計(jì),、電導(dǎo)率儀、磁導(dǎo)率儀,、渦流探傷儀,、涂層測(cè)厚儀、風(fēng)速計(jì),、粒子計(jì)數(shù)器,、推拉力計(jì)、扭力計(jì)等測(cè)試儀器,。