大型锻件氢脆损伤机理的研究

摘要

大型锻件制造是重大装备制造的关键技术之一，其质量直接影响到重大装备的整体水平和运行可靠性，是发展电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等工业的基础，是发展先进装备制造业的前提。大型锻件在高温成形及其降温过程中，由于氢析出并偏聚于锻件内部的微缺陷中，所产生的内高压和微裂纹极易导致零件突然断裂，称之为氢脆，是大锻件质量控制中最为危险和棘手的问题。近年来的研究成果虽然在热－力－微观组织耦合方面取得了一些新的进展，但对于大锻件的氢脆问题一直没有得到很好的解决。为研究氢脆损伤的产生机理，本文以氢脆敏感性高的合金钢为研究对象，采用物理模拟及有限元分析相结合的方法对大型锻件中的氢浓度、氢扩散以及氢脆损伤的机理进行了综合研究。　　由于氢原子是自然界中质量最轻和半径最小的原子，想要准确地测量锻件中的氢含量一直是困扰工业界和科学界的一项难题。为了对锻件中的氢含量及氢浓度分布进行研究，本文利用有限元方法建立了大型锻件锻后热处理过程的扩氢计算有限元模型，分析得到了材料在热处理过程中的氢扩散规律。　　对于大型锻件来说整个热处理过程都是在扩氢的，为了能时刻检测钢中氢的含量，必须要掌握钢中氢的渗透速率。本文以菲克第二定律为依据，利用电化学工作站及配套测试软件对不同成分的合金钢进行了氢扩散系数的测定实验，给出了一种适合于金属材料氢扩散系数测定的实验方法。　　为了对材料的氢脆损伤机理进行研究，通过充氢实验使外界的氢原子不断的向锻件内部扩散，并对试件的缓慢拉伸过程进行数据记录，分析了40Cr和45号钢在不同充氢电流和充氢时间条件下的氢致鼓包的形貌特征、抗拉强度、延伸率等力学性能参数，以延伸率的变化量为氢脆指标对氢脆程度进行度量，且通过充氢-拉伸实验和充氢-放置-拉伸实验验证了氢致损伤的不可逆性。　　为了对锻件内孔洞的氢压及氢含量进行定量分析，在电化学充氢实验的基础上结合有限元方法对氢鼓包内部的氢压进行了反算研究，建立氢浓度与微孔隙氢压的联系，对氢鼓包的长大规律和鼓包内氢压计算进行研究，用以解决金属材料中的微孔隙或氢偏聚区往往位于零件内部且很难进行直接测量的问题。　　为研究大型锻件成形过程中微孔隙氢压强度的变化，以氢压原理为基础，建立了大型锻件氢压场分析的有限元模型，得到了不同条件下锻件内部微孔隙氢压强度和氢浓度的变化规律，研究了不同氢浓度下氢压应力场的分布及相邻微孔洞间的耦合作用。

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第1章 绪 论

1.1 课题的背景和研究的目的及意义

1.2 大型锻件的特点和缺陷

1.3 锻件中的氢脆损伤

1.4 氢扩散的理论基础

1.5 氢在钢中的扩散与扩散系数

1.6 钢的氢扩散及氢脆的国内外研究现状

1.7 存在的主要问题

1.8 课题的来源和主要研究内容

第2章 大型锻件中氢含量计算及有限元分析

2.1 大型锻件中的氢含量

2.2 氢扩散的计算

2.3 氢扩散的有限元分析

2.4 本章小结

第3章 金属氢扩散的实验研究

3.1 双电解池测量氢扩散系数的原理

3.2 电化学氢扩散系数测定实验

3.3 测试处理和结果分析

3.4 本章小结

第4章 大型锻件氢脆损伤微观机理的研究

4.1 电化学充氢实验

4.2 拉伸实验

4.3 金属氢损伤的不可逆性影响

4.4 氢鼓包内氢压反算有限元模型及其长大规律分析

4.5 本章小结

第5章 大型锻件氢压场的研究

5.1 大型锻件微孔隙氢压场的研究

5.2 大锻件中微孔洞氢压应力场的有限元研究

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢