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不锈钢锻件的氢脆机理

admin2019-09-28行业新闻 174


      经过半个多世纪的研究,人们对氢脆的表象、规律与影响因素已经有了比较多的了解。但是,在氢脆机理方面,虽然作过了许多工作,也提出过许多学说,但至今还没有哪一种学说获得大家的公认。现介绍几种较主要的学说。

(一)氢压理论

      1941年提出[31],主要用于解释大型锻件中的白点、石油管道的氢鼓泡、焊接过程中的冷裂纹、铝合金中的氢致开裂等。这种学说的主要论点已在说明白点形成机理时作过介绍,此处不再赘述。这种学说提出的最早,至今仍有很强的生命力。

(二)弱键理论

      弱键理论是由Troiano[29]出的,Oriaui[32]等给于了补充、修正和发展。其核心观点是:当氢原子进入过渡族金属的晶格后,其Is带电子将进入过渡族金属原子的未被填满的d电子带,使d带电子浓度升高和s带与d带的重叠部分增大。已知,在金属晶格中,金属原子间的吸引力来自处于晶格结点位置的金属正离子与呈负电性的自由电子之间的静电引力,原子之间的排斥力来源于金属正离子之间的相互作用力,以及因电子带重叠而产生的斥力。因而,随着氢原子的进入,由于电子带重叠的增大,必将导致金属晶格中原子间结合力的下降,并造成金属键的弱化。

锻件

      通过弱键理论可以很好地解释过渡族金属的滞后断裂、低应变速率脆性和金属的形变时效脆化等现象。近年来,利用穆斯堡尔谱、场离子显微镜等现代分析手段已证实了氢的进入对Fe原子3d电子状态的影响。Johnson[33]在场离子显微镜中,实验测定使金属原子蒸发所需的电场强度时发现,随着氢气氛的引入,可使所需电场强度显著降低。还有人[34]实验测定了不锈钢锻件充氢后键能降低的数值。这些研究成果比较直观地证实了弱键理论的真实性。但是,弱键理论无法解释在非过渡族金属及铝合金中出现的氢脆。表明,对Troiano的学说还有待继续给于研究、改进、补充和完善。

(三)表面吸附理论

      Petch等[55]认为:被吸附在金属内部微裂纹表面的氢原子,可降低微裂纹的表面能。使微裂纹扩展长大时所必须消耗的形变功与临界应力下降,并因而导致金属的塑性、韧性下降和提前断裂。显然,钢锻件中氢含量的增加、应力集中系数的加大、以及氢原子的扩散聚集等均可加强氢原子在金属中微裂纹表面的吸附程度,从而使金属的脆性程度加大。

      众所周知,气体分子在金属表面的吸附是一种普遍现象,金属表面在吸附气体分子之后发生某些性质的变化也是很自然的。因而,氢致脆化的表面吸附理论的提出,是易于被理解和接受的。但是,许多人指出,02在Fe晶体表面的吸附能力比H2强的多,为什么02的吸附不会引起钢的滞后断裂?为什么S02、C0、C02、CS2等吸附性很强的气体都不会造成钢的滞后断裂?而且当H2中混入这些气体后,甚至会对氢致开裂过程发生一定的抑制作用,这是为什么?氢在金属内表面的吸附和聚集使其表面能下降的原因和本质是什么?这些问题都还不能回答。说明表面吸附理论也不完善,还需更深入的研究。

锻件

(四)氢与位错交互作用理论[10]

      前面介绍过,金属中的氢原子可与位错结合形成柯氏气团,以减少系统中的自由能。 在外力作用下,若金属的变形速度很小,氢原子将可通过扩散与位错一起沿着滑移面移动,并逐渐在晶界或其他内部缺陷处形成位错与氢原子的塞积、导致此处金属脆化并进而形成微裂纹。随着变形过程的继续进行,微裂纹不断扩大,最后终于造成金属的低应力断裂(即滞后断裂)。若变形速度非常高,氢的扩散速度跟不上位错的移运,柯氏气团解体,变形过程造不成氢原子的堆积与偏聚,则氢的脆化作用便不能发生或被降低至比较轻微的程度。除变形速度外,温度是影响氢原子聚集的另一个重要因素。在温度较高时,氢原子的热运动剧烈、活动能力很强,它将脱离位错的束缚、不能形成柯氏气团,也无法造成较高程度的氢聚集,氢的脆化作用即不复存在。如果温度过低。氢原子的活动能力太差,难以跟上位错的移动,也无法形成较高程度的氢偏聚,氢脆便也不能发生。如钢,在室温附近及变形率≈10-5 1/s的缓慢拉深中,氢的脆化作用可获得最为充分和强烈的显示[3]。

      氢与位错的交互作用理论,可以较圆满地说明氢脆与应变速率的关系、氢脆出现的温度范围、位错输氢、氢脆的可逆性等问题。是目前比较流行和广为采用的一种氢脆理论。但是,它无法解释含氢材料在低应力下的滞后断裂问题。

      这些氢脆学说各有所长,也各有所短,在研究和解决实际材料的氢脆问题时,往往需要综合利用各种学说的长处,进行综合分析,以期获得更圆满的解释。


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