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延遲斷裂的概念與特徵

延遲斷裂, 又稱為滯後斷裂, 是在靜止應力作用下的材料, 經過一定時間後突然脆性破壞的一種現象。 改詞最早在20世紀40年代用於指玻璃等脆性材料的滯後斷裂現象。 20世紀50年代以後, 隨著航空用鍍鎘高強度螺栓的滯後斷裂而逐漸得到廣泛的使用。

延遲斷裂現象是材料—環境—應力相互作用而發生的一種環境脆化, 是氫致材質惡化(氫損傷或氫脆)的一種形態。 其他的氫致材質惡化還包括氫致塑性損失、氫壓引起的微裂紋(如鋼中白點、焊接冷裂紋、H2S或酸中浸泡裂紋)、高溫高壓氫腐蝕、氫化物相的產生和氫致馬氏體相變等。 其中由於原子氫損傷擴散、富集所引起的氫致塑性損失及氫致延遲斷裂為可逆氫脆, 所謂延遲是指恒載荷(或恒位移)條件下, 原子氫通過應力誘導擴散富集到臨界值需要經過一段時間, 故載入後經過一定時間後氫致裂紋才會形核和擴展。

如將原子氫除去後就不會發生延遲斷裂, 故它是可逆的。

應當指出的是, 由氫引起的鋼鐵材料材質惡化形態多種多樣, 因材料強度水準、含氫環境種類等不同, 其稱呼往往不盡相同:對於高強度鋼(抗拉強度Rm≥980MPa)通常稱為延遲斷裂;對於中等強度鋼(980MPa>Rm≥490MPa)通常稱為硫化物裂紋、硫化物應力腐蝕裂紋;對於低強度鋼(Rm<490MPa)通常稱為氫致裂紋、氫誘導裂紋、氫鼓泡等。

廣義的延遲斷裂包括氫脆、應力腐蝕和液體金屬脆。 由於高強度鋼在水介質中的應力腐蝕實質上是一種氫致開裂過程, 因此本文所指的延遲斷裂主要是高強度鋼的氫致延遲斷裂和在水介質中的應力腐蝕。

延遲斷裂現象是妨礙機械製造用高強度化的一個主要因素。

它大體上分為以下兩類:

1、主要是由外部環境侵入的氫(外氫)引起的延遲斷裂。 如橋樑等方面使用的螺栓, 在潮濕空氣、雨水等環境中長期暴露而發生延遲斷裂。

2、酸洗、電鍍處理等製造過程中侵入鋼中的氫(內氫)引起的延遲斷裂。 如電鍍螺栓等在載入後, 經過幾個小時或幾天的較短時間後而發生延遲斷裂。

對於前者, 一般是由於在長期暴露過程中發生腐蝕, 腐蝕坑處腐蝕反應的氫侵入而引起的;後者是由於製造過程如酸洗、電鍍處理時侵入鋼中的氫在應力的作用下向應力集中處富集而引起的,

實際用鋼在自然環境下發生延遲斷裂的主要是回火馬氏體鋼, 它一般具有以下特徵:

1、在抗拉強度大於1200MPa、硬度HRC≥38的強度水準時,

延遲斷裂的敏感性顯著增大;

2、延遲斷裂通常在室溫附近發生, 但是從室溫到100℃附近, 隨著溫度的升高, 延遲斷裂的敏感性增大(與低溫脆性斷裂的不同點);

3、宏觀上, 延遲斷裂沒有伴隨有大的塑性變形(與蠕變裂變的不同點);

4、在靜載荷下(應變速率為零)發生(與疲勞斷裂的不同點);

5、在較屈服強度低得多的應力下發生;

6、在發生低溫回火脆性的溫度350℃附近回火後, 延遲斷裂敏感性最大;

7、受原奧氏體晶屆裂紋的支配。

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