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),國內(nèi)外廣泛探索工程機(jī)械及汽車的輕量化方法。要最大限度地減輕設(shè)備質(zhì)量,一個(gè)有效的途徑就是提高耐磨板的強(qiáng)度級(jí)別。近年來,工程機(jī)械用耐磨板從500~600MPa級(jí)快速上升至800MPa、1000MPa,甚至1500MPa。然而,隨著強(qiáng)度提高,耐磨板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)度耐磨板的氫致延遲斷裂現(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)別耐磨板的發(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)耐磨板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),隨著耐磨板中(Mn+0.5Si+S+P)含量的升高,4340系列耐磨板發(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。這是由于高強(qiáng)度耐磨板中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耐磨板的氫致開裂敏感性。