高强度螺栓用钢的氢扩散动力学及氢致延迟断裂控制技术研究

摘要

高强度螺栓广泛应用于海洋工程装备，在恶劣的海洋环境中，易于发生氢致延迟断裂现象，给装备的正常运行带来极大的安全隐患。材料的组织、氢和应力状态是高强度螺栓氢致延迟断裂的三个重要因素，尤其是内氢在螺纹根部应力集中处的扩散、富集，是高强度螺栓断裂的主要因素。氢致延迟断裂的防控需从这三方面因素着手进行研究分析，因而，研究高强度螺栓连接结构的应力状态、氢在材料中的扩散动力学及氢致延迟断裂的控制手段具有重要的理论和工程意义。本文选取典型的海洋工程用高强度螺栓材料40CrNiMoA、0Cr16Ni5Mo和12CrNi9MoV钢，并利用有限元分析、力学测试、微观组织观察及电化学测试等手段，对三种试验钢的氢致断裂问题的内因和外因进行剖析、总结，并试图找出氢致延迟断裂的合理控制手段。
　　为研究材料在使用中氢聚集后的力学和化学行为，需要研究试验钢的阴极充氢工艺以制备研究的试样。结果表明，充氢过程应采用“长时间，小电流”的原则，可以起到氢原子均匀分布于试样，且有效避免试样表面产生氢致损伤的作用。氢含量均随充氢时间的延长及充氢电流密度的增加而增加，达到一定时间后，处于稳态值。该工作能够为工程应用中研究内氢在螺栓中某一部位扩散、富集并最终达到稳态值提供试验验证，同时也为内氢聚集达到稳态值的计算奠定基础。
　　氢扩散系数是表征氢在钢中扩散能力的重要参量。本文采用氢扩散理论中的穿透时间法和时间滞后法计算了试验钢的表观氢扩散系数。利用不同类型螺栓用钢的氢扩散系数，评估了氢在钢中富集部位达到平衡状态的时间及富集程度，从而为评价氢在不同材质螺栓应力集中处聚集的过程及趋势做铺垫。
　　利用升温脱氢分析技术，研究了氢在试验钢中的陷阱行为，并以逸出激活能的形式评估了钢中不同类型氢原子的逸出能力。本工作对研究内氢在不同类型螺栓用钢中的扩氢难易程度及利用有益氢陷阱来降低氢致延迟断裂敏感性具有重要意义，同时也为不同类型螺栓用钢的选材提供参考。
　　采用慢应变速率拉伸试验，本文研究了氢对缺口试样和光滑试样应力应变特性的影响。该研究能够很好地评价不同类型螺栓用钢在内氢作用下的承载能力，且其内氢含量与缺口强度及塑性指标的对应关系能够为工程应用中螺栓强度的选择和安全性评价提供参考。同时，拉伸试样的断口形貌表明，氢致断裂断口形貌随着钢中氢含量的升高，由韧窝型韧性断口逐渐向穿晶准解理甚至沿晶断裂特征过渡，从而为实际工况中螺栓失效分析提供复原模拟作用。
　　采用有限元分析模拟手段，缺口试样的根部区域应力分布得到了直观的呈现。通过设计模型中不同的缺口半径和材料参数，获得了不同缺口半径、不同强度状态下缺口根部的应力集中系数。此分析为应力诱导氢扩散模拟提供了预定义场。利用应力诱导-氢扩散顺次耦合的有限元程序，获得了氢在应力诱导下缺口根部氢浓度的分布状态及富集趋势，为工程应用中螺栓发生氢致断裂的断口形貌分析提供借鉴，也可为螺栓的安全性评价提供参考。
　　本文利用理论计算与有限元模拟相结合的手段，探讨了高强度螺栓氢致延迟断裂的控制技术。缺口根部的微区塑性变形对于应力集中的缓解具有重要作用，而氢原子的引入，对塑性变形具有复杂影响。内氢含量、缺口半径和螺栓用钢的氢致局部断裂临界应变三者之间的关系，成为防控高强度螺栓氢致延迟断裂的关键，也为高强度螺栓的合理选材、结构设计提供理论参考。
　　高强度螺栓在实际应用时，通常根据使用环境来选择合适的电镀层来增加零件的使用年限。本文利用电化学手段对常用的几种螺栓镀层进行耐蚀性评价及镀层腐蚀阶段的电化学反应过程进行分析，探讨了其不同的耐蚀性机理。通过系统地对比分析，找出海洋工程应用中，适合高强度螺栓低氢脆、低后脆的防护镀层。其中，Zn-Ni和Cd-Ti镀层的耐蚀性相当，但从环保性、经济性考虑，在海洋大气环境中，Zn-Ni镀层有望替代Cd-Ti镀层；而在海水中，可以考虑将阴极性镀层Ni-W-P替代Cd-Ti镀层作为高强度螺栓阻氢及低后脆的防护措施。

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第1章 绪论

1.1 高强度螺栓在实际应用中存在的问题

1.2 高强度螺栓发生氢致延迟断裂的原因及机理

1.3 高强度螺栓氢致断裂的控制技术与手段

1.4 高强度螺栓的表面防护方式选择

1.5 高强度螺栓镀层的耐蚀性、低氢脆研究

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

第3章 不同强度等级试验钢的氢扩散动力学研究

3.1 引言

3.2 40CrNiMoA和0Cr16Ni5Mo钢的阴极充氢工艺研究

3.3 40CrNiMoA和0Cr16Ni5Mo钢中氢扩散能力的研究

3.4 内氢在试验钢中的陷阱行为及逸出难易程度研究

3.5 试验钢中氢处于平衡状态的研究

3.6 内氢的扩散富集对不同试验钢应力应变特性的影响

3.7 小结

第4章 螺栓连接结构的应力及缺口处应力诱导氢扩散模拟分析

4.1 引言

4.2 环形缺口试样根部的有限元应力分析

4.3 螺栓连接结构的应力及其诱导氢扩散分析

4.4 小结

第5章 不同强度等级螺栓的氢致延迟断裂控制技术研究

5.1 引言

5.2 氢在缺口应力集中处的扩散分布模型

5.3 氢致内应力计算

5.4 钢中内氢含量对缺口根部应力集中的影响

5.5 内氢在最大静水应力处富集特征的公式化表征

5.6 塑性变形对缺口根部应力集中影响的机理分析

5.7 高强螺栓用钢的氢脆临界应变判据

5.8 小结

第6章 高强度螺栓用钢的析氢行为及低氢脆、低后脆镀层的对比研究

6.1 引言

6.2 试验钢在模拟海水中的析氢难易程度研究

6.3 高强度螺栓低氢脆、低后脆镀层的对比研究

6.4 小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢