310S不锈钢和45号钢拉伸氢致脆断研究

本文首先对310s不锈钢实心圆棒试样、空心圆管试样和板试样进行充氢后拉伸破坏试验研究氢对试样拉伸断裂的影响。310s不锈钢具有较强的抗氢脆性能而不易发生氢致脆断。作为比较，又用氢较为敏感的45号钢作为研究材料。将45号钢原材料加工实心圆棒试样和不同U形缺口实心圆棒试样。对实心圆棒试样按照不同充氢时间充氢后再拉伸试验，并观察断口的微观形貌，研究不同氢浓度对材料宏观力学性能和断裂方式的影响。对不同U形缺口实心圆棒试样进行12h的充氢后拉伸试验，记录试样最小横截面直径在拉伸断裂前后的变化和载荷位移曲线，研究氢对不同缺口试样拉伸断裂的影响。

为了解45号钢试样可能的氢浓度分布，利用有限元软件ABAQUS模拟试样在充氢过程和拉伸过程的氢扩散行为，通过氢浓度分布分析45号钢材料的氢致脆断。参照氢致弱键理论(HEDE)机制，假设氢的作用导致材料微孔洞更容易形核，孔洞聚合所需能量减少，以此将GTN模型损伤参数与氢浓度关联。通过不同充氢实心圆棒试样模拟与实测的载荷-位移曲线对比来调试GTN模型损伤参数与氢浓度关系，并进行验证。对比试验与模拟之间试验颈缩部位的破坏和变形，提取断裂前断裂面上的应力三轴度和孔洞体积分数，分析不同充氢试样起裂点的差异性。此外，模拟了45号钢充氢和不充氢U形缺口实心圆棒试样拉伸破坏过程，对两者的模拟结果进行了对比。全文的主要结论如下：

（1）通过310s不锈钢不同形式试样充氢后拉伸试验，发现只有外表面充氢的空心圆管试样和单面充氢的2mm厚度板试样表现出延性降低的现象，说明310s不锈钢具有较强的抗氢脆性能，抗氢脆性能与试样形式和充氢方式有关。

（2）对45号钢实心圆棒试样进行不同时间充氢后的拉伸试验，在此基础上研究45号钢在不同氢浓度下的氢致脆断。试验结果表明，随充氢时间的增加，试样的延伸率和平均断裂应变减小，断口韧窝数目减少，准解理区域增加，但该变化随充氢时长增加逐渐减缓并趋于稳定。

（3）对45号钢未充氢和充氢U形缺口实心圆棒试样进行了拉伸试验，通过对比两者的应力-位移曲线、断裂应变和断口微观形貌，发现氢对缺口试样的氢致破坏有影响，且缺口越小，氢促进破坏的作用越大。

（4）对45号钢试样在充氢和拉伸时氢的扩散过程进行了数值模拟。模拟结果表明，充氢过程中氢浓度沿着半径减小方向递减，在拉伸至试样断裂前，考虑应力梯度作用，试样内部氢浓度沿着半径减小方向先增大后减小。

（5）将HEDE机制和受氢影响的材料微孔洞演化机制引入GTN本构模型，模拟了45号钢充氢实心圆棒试样和缺口试样拉伸氢致脆断过程，模拟结果可合理解释和再现试验观测到的现象，利用此方法可预测钢材的氢致脆断发生。

不足与展望

（1）由于试样内部缺陷和氢陷阱的存在，无法准确确定试样内部的氢含量和氢浓度分布，这需要借助先进的技术进行研究，若能定量研究氢致脆断，这将是一项重大突破性工作。

（2）本文所设计的拉伸试验是在单一加载速率常温下进行的，氢对材料起到加速破坏作用可能受到加载速率和温度的影响，另外氢会导致疲劳寿命的降低，进一步的工作可以考虑在不同加载速率、不同温度和循环加载方式下研究材料的氢致脆断。

（3）由于310s不锈钢氢扩散率较小，在充氢再拉伸试验中氢对材料的影响效果未能显现出来，在后续的研究中可以选择合适的试样和充氢制度对310s不锈钢氢致脆断进行深入研究。

（4）氢扩散数值模拟中没有考虑材料氢陷阱的影响，而氢富集的氢陷阱位置往往容易发生氢致脆断，后续可以考虑氢陷阱对氢致钢材料脆断的影响。

（5）本文通过HEDE机制修改的GTN模型预测了材料氢致脆断行为，进一步工作可以参照HELP机制、HIE机制、AIDE机制以及各个氢脆机制结合作用，修改相关损伤模型来预测材料的氢致脆断。