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高強度鋼板延遲斷裂試驗方法研究進展

摘要:為進一步了解高強度鋼板在使用過程中發生延遲開裂的問題,總結了國內外針對高強度鋼板延遲開裂的試驗方法即恒應變延遲斷裂試驗、SSRT(低應變速率)延遲斷裂試驗、恒載荷延遲斷裂試驗、斷裂力學試驗,并詳細介紹了每種試驗方法的評價指標。針對現有的高強度鋼板定性評價方法,提出了建立不同鋼種、不用強度級別高強度鋼板延遲斷裂敏感性的定量評價指標,以方便定量比較高強度鋼板的延遲開裂敏感性。

關鍵詞:高強度鋼板 延遲斷裂 評價 敏感性


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高強度鋼板延遲斷裂


       隨著汽車輕量化需求的提高,汽車中所使用的高品質材料逐漸增多,高強度鋼板作為汽車高品質材料的重要組成部分,其應用比例也逐漸增多。但是隨著鋼板強度的提高,特別是當鋼板的抗拉強度超過1000MPa后,鋼板的延遲斷裂敏感性變得明顯。

      高強鋼板的延遲斷裂過程主要與環境中的氫有關,稱為氫致延遲斷裂,它是氫致材料惡化(氫損傷或氫脆)的一種形態。這種斷裂是指材料在靜止應力作用下,服役一段時間后,突然脆性斷裂的一種行為。這是由于材料內部的殘余氫或者環境中的氫向應力集中的部位富集,而這些應力集中的部位往往缺陷較多,在這些部位,氫離子結合成氫原子,氫原子結合成氫分子,這些氫分子又結合成氫氣團,這個氣團將會產生巨大的壓力,當這個壓力與材料內部的殘余應力以及構件所承受的力結合的合力超過材料的屈服極限時,將會產生材料的脆性斷裂失效。高強度鋼板的氫致延遲開裂斷口形貌是單一裂紋,沒有明顯的分叉,呈穿晶狀、沿晶狀或者混合型;斷裂性質為脆性斷裂,宏觀斷口是齊平的,無塑性變形;顯微鏡下觀察呈現白點,輪廓分明,可以看到一些結晶狀顆粒或者放射狀花樣。



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高強度鋼板延遲斷裂試驗方法


      目前,一些研發機構和主機廠都開展了針對高強度鋼板延遲斷裂敏感性的評價方法,但是每個試驗室都是按照各自約定的試驗方法進行試驗,各個試驗結果之間的對比性不高。表1所示為目前主要的高強度鋼延遲斷裂試驗方法匯總。


      目前,高強鋼的延遲斷裂試驗可以分成以下幾類。

      a. 恒應變延遲斷裂試驗。主要試驗方法為U型彎梁延遲斷裂試驗、三點彎曲延遲斷裂試驗、沖杯延遲斷裂試驗。

      b. SSRT(低應變速率)延遲斷裂試驗。主要試驗方法為單軸低應變速率拉伸試驗。

      c. 恒載荷延遲斷裂試驗。主要試驗方法為恒載荷拉伸延遲斷裂試驗和恒載荷彎曲延遲斷裂試驗。

      d. 斷裂力學試驗。采用預制裂紋的方式進行延遲斷裂試驗。


2.1 U型彎梁延遲斷裂試驗

      U型彎梁試驗是恒應變延遲斷裂試驗中的一種試驗方法。按照圖2所示的流程進行試驗:首先將高強度鋼板材料切割成圖2a所示的平板試樣,將試樣放在模具中進行成形,成形后用螺栓緊固,放置在試驗溶液中進行延遲斷裂試驗。采用斷裂試樣占總試樣的百分比或者試樣的斷裂時間,對比分析不同鋼種之間的延遲斷裂敏感性。

           


2.2 三點彎曲延遲斷裂試驗

      恒應變延遲斷裂試驗中的另一種試驗方法是三點彎曲試驗(圖3),試驗過程中采用三點彎曲設備將試樣彎曲成一定的角度,之后放置在溶液中進行試驗,采用斷裂時間進行延遲斷裂敏感性的評價。

             


2.3 慢拉伸延遲斷裂試驗

      在應變速率為10-7/s~10-3/s的條件下進行拉伸試驗,同時將拉伸試樣放置在溶液中(氫環境),可以在很短的時間下完成試驗,進行延遲斷裂敏感性評價。可以采用斷裂應力、斷面收縮率損失或者斷裂時間等指標進行延遲斷裂敏感性評價。該方法試驗速度快,但是試驗條件比實際環境更加苛刻,需要建立對比試驗,以方便相互比較。


2.4 恒載荷延遲斷裂試驗

      恒載荷延遲斷裂試驗是將試樣在恒定載荷下進行加載的試驗方法,圖4所示為恒載荷拉伸延遲斷裂試驗,圖5所示為恒載荷彎曲延遲斷裂試驗,該方法采用斷裂時間或斷裂應力評價材料的延遲斷裂敏感性。

                  


2.5 預制裂紋延遲斷裂試驗

      預制裂紋試驗采用試樣預制裂紋的方法進行試驗,將試樣加工成帶有Ⅰ型或者Ⅱ型預制裂紋后,放置在含氫介質條件下進行試驗,用斷裂力學理論求出臨界應力場強度因子KIH或者KISCC以及裂紋的擴展速度等評價指標評價材料的延遲斷裂敏感性。


2.6 沖杯延遲斷裂試驗

      沖杯延遲斷裂試驗在歐洲車企和鋼鐵企業應用比較多。國內對這方面的研究還處于起步階段。沖杯延遲開裂試驗按照不同的成形比,在成形試驗機上沖制成杯狀試樣,將試樣放置在含氫介質條件下進行延遲斷裂試驗。根據產生裂紋的時間或者裂紋數量進行延遲斷裂敏感性的評價。


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高強度鋼板延遲斷裂評價方法


      高強度鋼板的延遲斷裂過程主要是由于鋼中的氫引起的,其敏感性除了材料本身的因素外,還與環境因素和應力狀態相關。目前各研發機構所使用的評價方法不統一,彼此之間的可比性不強,為了對比不同鋼種、不同強度級別之間的延遲斷裂敏感性,尋找像抗拉強度、FLC曲線等這種定量化的評價指標,成為目前工作研究的重點。鈴木等采用Hc(臨界擴散性氫量)、HE(環境吸收的氫量)之間的關系評價實際環境下螺栓鋼延遲斷裂敏感性;節田等采用氫滲透系數對新開發的鋼種進行延遲斷裂敏感性評價,并提出了臨界應力與氫量的延遲斷裂評價圖。國內某科研機構采用恒載荷延遲斷裂試驗,得到類似疲勞曲線的應力-斷裂時間的曲線,根據曲線的極限值或者斷裂時間,評價高強鋼的延遲斷裂敏感性。

      針對目前高強度鋼板在汽車上的應用情況,希望尋找一種適當的試驗方法,建立如圖6所示的評價圖,應用于高強度鋼板的延遲斷裂敏感性評價。其試驗過程如下:按照預定的延遲斷裂試驗方法進行延遲斷裂試驗,當所得到的延遲斷裂時間位于1、2兩條曲線之間時,判定這種鋼板材料抗延遲斷裂性能滿足使用要求,如果位于曲線1下部,則判定這種鋼板材料的延遲斷裂敏感性強,需要注意使用環境。

                


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總結


       汽車輕量化需求下,高強度鋼板在汽車上的應用比例逐年提高,但是隨著鋼板強度級別的提高,特別是鋼板的強度超過1000MPa后,鋼板的延遲開裂敏感性變得明顯。目前針對高強鋼延遲開裂的試驗方法主要為恒載荷、恒應變以及SSRT試驗,評價指標為斷裂時間、臨界斷裂應力等。為了推動高強度鋼板材料在汽車上的廣泛應用,尋找不同鋼種、不用強度級別高強鋼延遲斷裂敏感性的定量評價指標將會成為目前研究的主要方向。



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