１５ＭｎＶＮ钢的氢致硬化和氢致软化廖波，康大韬，宋尚军（燕山大学）（大连重型机器厂）摘要 研究了不同氢含量、应变速率条件下１５ＭｎＶＮ钢氢致硬化和氢致软化现象。试验证实，氢的存 在首先造成氢致硬化，而当塑性变形开始后又导致氢致软化。这一作用受钢中氢偏聚控制，并受应 变速率的诱导作用。氢的存在对钢的抗拉强度无明显影响。关键词氢；氢致硬化；氢致软化；结构 钢氢对金属材料屈服强度的影响或表现为材料的氢致硬化，或表现为氢致软化，这类行为虽然已经 引起人们的关注和重视￣［１～６］，但目前的工作多是研究高、纯材料和特殊合金，对于应用量 大、使用面广的工程结构材料讨论较少。而且研究结果不统一，甚至相互矛盾￣［７］，有待于深 入探讨。本文以１５ＭｎＶＮ钢为对象，研究了氢含量不同时拉伸过程中的起始塑变，以探讨氢致 硬化、软化的实质。１实验过程１５ＭｎＶＮ为大型桥梁用中强结构钢，其化学成分为（ｗｔ％） ：Ｃ０．１５．Ｓｉ０．５０，Ｍｎ１．４９，Ｓ０．０１，Ｐ０．０１，Ｖ０．１７，Ｎ０．０ １２。材料热轧成型后正火处理。试样为标准光滑圆棒拉伸试样，标距内尺寸为。采用阴极电解充 氢法获得不同的氢含量。充氢介质为５ｖｏｌ％Ｈ＿２ＳＯ＿４水溶液＋０．１ｇＮａ＿３ＡｓＯ ＿４／１，阴极电流密度为３０ｍＡ／ｃｍ￣２。得到的氢含量分别为：１．８，２．３，３．６ ，４．０，５．２ｐｐｍ。充氢后立刻做镀镉保护，随之进行１５０＋１０℃×６０ｍｉｎ均匀化 处理，至此试样可以实施拉伸试验。考虑氢在钢中的迁移条件￣［８］，为充分表现氢对塑变行为 的影响，采用缓慢拉伸方法。拉伸试验在Ｉｎｓｔｒｏｎ电子拉伸机上进行，应变速率为；。２实 验结果氢含量不同的试样单轴慢拉伸得到应力一应变曲线如图１所示。实测结果表明，钢中氢含本 文联系人：廖波，博士、副教授，秦皇岛市（０６６００１）燕山大学材料工程系量和应变速率的 变化对抗拉强度（σ＿ｂ）未产生有规律的影响。测定值为：此结果与以往中强钢测试结论相吻合 ￣［９］。拉伸过程中表现出明显的屈服现象，屈服强度的变化列于表１。由图１、表１可见，氢 含量不同的１５ＭｎＶＮ钢在不同的拉伸条件下，屈服强度呈现特殊的变化规律：随氢含量增加和 应变速率减慢，上屈服点上升而下屈服点下降（见图２）。３分析讨论低、中强钢拉伸时出现的上 、下屈服点之间的差异表征了位错挣脱钉扎作用后塑变应力水平的降低程度，即试验发现充氢试样 的屈服点表现出更明显的上、下分离（见图３）。固溶氢与位错有很强的弹性交互作用，它将强化 碳、氢原子对可动位错的钉扎效果。并且随钢中氢含量增加，氢的钉扎作用加剧，也就是说氢的存 在提高了钢的起始塑变应力水平，表现出上屈服点随氢含量增加而上升──氢的存在促进材料硬化 。一旦越过上屈服点开始塑变，碳、氮原子对位错的钉扎作用就会减小，可动位错只与固溶氢的交 互作用为主要作用。氢原子在与位错的交互作用中极易迁移到螺位错芯部，并通过改变位错芯部金 属电子结构促进螺位错双扭折的增加￣［２］，从而增加螺位错可动性。同时氢的存在导致原子间 键合力弱化，致使切变模量降低￣［１０］，使钢继续塑变的应力水平下降。通过充氢样品原位动 态拉伸观察分析证实，氢的存在使１５ＭｎＶＮ钢的位错运动，氨阵阻力降低，使位错（主要是螺 位错）易于运动￣［１１］。位错可动性的提高、降低了１５ＭｎＶＮ钢继续塑变应力水平，使σ ＿（ｓｌ）呈现下降趋势，出现氢致软化。从钢中氢偏聚角度分析，当钢中氢偏聚到一定程度时， 氢将以“原子氢气团”的形态存在，而且此种“原子氢气团”具有相当高的内压￣［１２］。在拉 伸过程中，钢中氢在三向拉应力诱导下扩散和位错输氢的作用下形成偏聚态的“原子氢气团”，而 偏聚氢会产生非球对称畸变场而具有较大的切应力分量￣［１３］。此切应力分量将积极协助外应 力促进局部塑变，使材料表现出氢致软化现象。根据１５ＭｎＶＮ钢屈服强度的变化趋势可见，整 体氢含量及氢偏聚对起始和继续塑变过程至关重要。为得到较强的位错输氢和三向拉应力诱导扩散 效果，要求外加应变速率来造成位错移动速度与氢原子扩散速率的匹配。较快的应变速率对位错输 氢行为帮助不大，难于形成有效的氢偏聚￣［１４］，因而不会对塑变行为─—屈服强度产生明显 的氢致损伤行为。结合本文结果可以认为，低应变速率有利于氢的定向迁移、偏聚，表现出明显的 氢致软化效果。分析表明，钢中氢不是简单导致中强钢的氢致硬化或软化。氢致塑变同时受内在因 素──氢含量和外部条件─—应变速率的作用，而诸因素作用的实质是影响氢原子的迁移、偏聚。 ４结论１）固溶氢对中强钢抗拉强度不会产生有规律的影响。２）１５ＭｎＶＮ钢上屈服点随氢含 量增加而上升，表明氢使该钢的起始塑变抗力提高，具有氢致硬化效果。３）１５ＭｎＶＮ钢下屈 服点随钢中氢含量增加而降低，表明氢有促进继续塑变能力，具有氢致软化作用。４）钢中氢迁移 、偏聚是氢致塑变的控制因素，只有在低应变速率的诱导作用下才能表现出氢的作用。参考文献｜ ｜１ＭｏｒｉｙａＳ，ＭａｓｔｕｉＨａｎｄＫｉｍｕｒａＨ．ＭａｔｅｒＳｃｉ．Ｅｎｇ．，１ ９７９；４０：２１７２ＭａｔｓｕｉＨａｎｄＫｉｍｕｒａＨ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ． ，１９７９；４０：２０７３ＺｈａｎｇＴＹ，ＣｈｕＷＹａｎｄＨｓｉａｏＪＭ．Ｓｃｒ．Ｍｅ ｔａｌｌ，１９８６；２０：２２５４唐祥云，何建宏，马莒生．清华大学学报（自然科学版）． １９８８；（２）：１００５ＬｉＪＣＭ，ＰａｒｋＣＧａｎｄＯｈｒＳＭ．Ｓｃｒ．Ｍｅｔａｌ ｌ．，１９８６：２０：３７１６ＴａｂａｔａＴａｎｄＢｉｒｎａｂｕｍＨＫ．ＳｃｔＭｅｔａ ｌｌ．，１９８３；１７：９４７７ＫｉｍｕｒａＨａｎｄＭａｔｓｕｉＨ．Ｓｃｒ．Ｍｅｔａｌ ｌ．，１９８７：２１：３１９８ＢａｓｔｉｎＰａｎｄＡｚｏｕＰ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏ ｆＦｉｒｓｔＷｏｒｌｄＭｗｔ．ＣｏｎｇｒｅｓｓＡＳＭ．１９５１：７６９康大韬，廖波，徐 晶钢，陈廉；金属热处理学报，１９８９；１０（１）：６９１０刘中毫，陈廉．金属学报，１９ ９０；２６：Ａ２８４１１廖波．哈尔滨工业大学博士学位论文，１９９２１２ＦｕｊｉｔａＦＥ ．ＨｙｄｒｏｇｅｎｉｎＭｅｔａｌｓ，Ｏｘｆｏｒｄ，１９７８：１８１０１３张统一．北京钢 铁学院博士学位论文，１９８５１４ＰｏｄｅｇｕｚｅＭＶａｎｄＦｉｃａｌｏｒａＰＪ．Ｍａｔ ｅｒ．Ｅｎｇ．，１９８７；８５：４３ＨＹＤＲＯＧＥＮ－ＩＮＤＵＣＥＤＨＡＲＤＥＮｍＧＡ ＮＤＳＯＦＴＥＮＩＮＧＯＦＳＴＥＥＬ１５ＭｎＶＮ￥ＬｉａｏＢｏ；ＫａｎｇＤａｔａｏ；Ｓ ｏｎｇＳｈａｎｇｊｕｎ（ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）（ＤａｌｉａｎＨｅａｖｙＭ ａｃｈｉｎｅｒｙＷｏｒｋｓ）ＡＢＳＴＲＡＣＴＨｙｄｒｏｇｅｎ－ｉｎｄｕｃｅｄｈａｒｄｅ ｎｉｎｇａｎｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇｏｆｓｔｅｅｌ１５ＭｎＶＮｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｕｎｄ ｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｈｙｄｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｓ ｔｒａｉｎｒａｔｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｈ ｙｄｒｏｇｅｎｗｉｌｌｃａｕｓｅｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｉｎｄｕｃｅｄｈａｒｄｅｎｉｎｇｗｈ ｅｎｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｇｉｎｓ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｆｔｅｒ，ｔｈ ｅｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｉｎｄｕｃｅｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇｗｉｌｉｂｅｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎ． Ｔｈｅｈａｒｄｅｎｉｎｇａｎｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒａｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌ ｅｄｂｙｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｏｍｍｏｔｉｏｎａｎｄｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｓ ｏｆｔｅｎｉｎｇｂｅｈａｖｆｏｒｉｓａｌｓｏｉｎｄｕｃｅｄｂｙｓｔｒａｉｎｒａｔｅ．Ｔ ｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｂｙｄｒｏｇｅｎｄｏｎｏｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｍｅｄｉｕｍｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ．ＫＥＹＷＯＲＤＳｈｙｄｒｏ ｇｅｎ，ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｉｎｄｕｃｅｄｈａｒｄｅｎｉｎｇａｎｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇ，ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｅｅｌ15MnVN钢的氢致硬化和氢致软化@廖波，康大韬，宋尚军$燕 山大学，大连重型机器厂氢；氢致硬化；氢致软化；结构钢研究了不同氢含量、应变速率条件下１ ５ＭｎＶＮ钢氢致硬化和氢致软化现象。试验证实，氢的存在首先造成氢致硬化，而当塑性变形开 始后又导致氢致软化。这一作用受钢中氢偏聚控制，并受应变速率的诱导作用。氢的存在对钢的抗 拉强度无明显影响。１ＭｏｒｉｙａＳ，ＭａｓｔｕｉＨａｎｄＫｉｍｕｒａＨ．ＭａｔｅｒＳｃ ｉ．Ｅｎｇ．，１９７９；４０：２１７２ＭａｔｓｕｉＨａｎｄＫｉｍｕｒａＨ．Ｍａｔｅｒ． Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．，１９７９；４０：２０７３ＺｈａｎｇＴＹ，ＣｈｕＷＹａｎｄＨｓｉａｏＪ Ｍ．Ｓｃｒ．Ｍｅｔａｌｌ，１９８６；２０：２２５４唐祥云，何建宏，马莒生．清华大学学报 （自然科学版）．１９８８；（２）：１００５ＬｉＪＣＭ，ＰａｒｋＣＧａｎｄＯｈｒＳＭ．Ｓ ｃｒ．Ｍｅｔａｌｌ．，１９８６：２０：３７１６ＴａｂａｔａＴａｎｄＢｉｒｎａｂｕｍＨＫ ．ＳｃｔＭｅｔａｌｌ．，１９８３；１７：９４７７ＫｉｍｕｒａＨａｎｄＭａｔｓｕｉＨ．Ｓ ｃｒ．Ｍｅｔａｌｌ．，１９８７：２１：３１９８ＢａｓｔｉｎＰａｎｄＡｚｏｕＰ．Ｐｒｏｃ ｅｅｄｉｎｇｓｏｆＦｉｒｓｔＷｏｒｌｄＭｗｔ．ＣｏｎｇｒｅｓｓＡＳＭ．１９５１：７６９ 康大韬，廖波，徐晶钢，陈廉；金属热处理学报，１９８９；１０（１）：６９１０刘中毫，陈廉．金属学报，１９９０；２６：Ａ２８４１１廖波．哈尔滨工业大学博士学位论文，１９９２１２ＦｕｊｉｔａＦＥ．ＨｙｄｒｏｇｅｎｉｎＭｅｔａｌｓ，Ｏｘｆｏｒｄ，１９７８：１８１０１３张统一．北京钢铁学院博士学位论文，１９８５１４ＰｏｄｅｇｕｚｅＭＶａｎｄＦｉｃａｌｏ
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