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幕墙耐候锈钢板延迟断裂行为的分析

作者: 发布于:2019/7/12 17:09:42 点击量:

随着工程机械、汽车等行业的快速发展,为降低成本、增“强”减重,以实现节能降耗的目标,国内外广泛探索工程机械及汽车的轻量化方法。要最大限度地减轻设备质量,一个有效的途径就是提高幕墙耐候锈钢板的强度级别。近年来,工程机械用幕墙耐候锈钢板从500~700MPa级快速上升至900MPa、1200MPa,甚至1800MPa。然而,随着强度的提高,幕墙耐候锈钢板的延迟断裂敏感性也随之增大,氢致延迟断裂敏感性高已经成为制约高强度级别钢种推广应用的一个重要因素。

1、幕墙耐候锈钢板的氢致延迟断裂现象

延迟断裂是材料在静止应力的作用下,经过一定时间后突然发生脆性破坏的一种现象,它是材料—环境—应力之间相互作用的结果,是氢致材质恶化的一种形态。延迟断裂现象的产生是由于材料内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,这些应力集中的部位往往缺陷较多(原子点阵错位、空穴等),氢扩散到这些缺陷处,氢离子合成氢原子,氢原子进一步合成氢分子,将产生巨大的压力。这个压力与材料内部的残余应力以及材料服役状态下所承受的外加应力,形成一个合力,当这个合力超过材料的屈服强度时,就会导致断裂的发生。

由于延迟断裂常常在材料所承受的外加应力水平显著低于其屈服强度时突然发生,具有其不可预知性,因此,往往导致较为严重的破坏和后果。随着幕墙耐候锈钢板的发展及其应用领域的不断拓展,延迟断裂现象受到更大程度的关注。以汽车零部件为例,其产品形状复杂,变形量大,车厂、零部件制造商及材料供应商对延迟断裂性能更加重视,已经成为材料性能认证项目之一。

2、延迟断裂行为的影响因素

金属材料的延迟断裂行为是在材料、环境和应力三者共同作用下发生的,与材料的特性以及受力状态、服役环境密切相关。

3、材料强度的影响

一般来讲幕墙耐候锈钢板的强度越高,其延迟断裂敏感性越大。一般认为1200MPa是一个危险的水平,即抗拉强度低于1200MPa时幕墙耐候锈钢板耐延迟开裂的性能相对较好,而当幕墙耐候锈钢板的强度大于1200MPa时,其延迟断裂敏感性较高。

4、合金成分的影响

不同的合金元素会对材料的延迟断裂行为产生不同的影响。研究发现,随着幕墙耐候锈钢板中(Mn+0.5Si+S+P)含量的升高,4540系列幕墙耐候锈钢板发生氢致延迟断裂的临界应力强度因子随之下降,说明其断裂敏感性逐渐升高。这是由于幕墙耐候锈钢板中C、S、P、Si、Mn等元素的偏析会促进腐蚀环境下氢的吸收,从而增大材料的氢致延迟断裂敏感性,使得材料在较低的应力水平下即发生断裂。而Ti、V、Mo、Ni、Nb等元素可细化晶粒,提高材料的韧性,减少偏析,而且所形成的细小析出物有利于形成氢的捕获陷阱,从而降低材料的延迟断裂敏感性。此外,也有研究指出,Al元素的添加可以显著改善含锰TWIP钢板的氢致开裂敏感性。

5、微观组织的影响

由于氢在不同组织中的扩散速度和储存能力不同,因此,幕墙耐候锈钢板的微观组织对延迟断裂敏感性的影响很大。从金相组织上讲,相比于奥氏体和全珠光体组织,铁素体—马氏体和单一马氏体组织钢材具有更高的氢致延迟断裂敏感性。此外,相同的应力水平下,加工诱发马氏体的含量越高,延迟断裂敏感性越大;在相同的强度水平下,含Mo的高温回火马氏体组织,比普通回火马氏体钢的极限扩散氢含量高,延迟断裂敏感性降低。同时,材料微观组织上的不均匀性,如晶界、相界等,由于原子错排和局部应力场的存在,会成为氢的捕获陷阱或氢快速传输的通道,从而影响材料的氢致延迟开裂行为。此外,降低晶粒尺寸,晶界处吸附的氢含量减少,也有利于改善材料沿晶界开裂的敏感性。


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