临氢条件下金属材料力学性能探究

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为了系统地分析氢致金属材料脆性断裂的过程,本文首先大量查阅了国内外相关文献,得出了氢对金属材料的力学性能会产生很大的影响。弹性模量是材料对弹性变形的抗力指标,是衡量材料产生弹性变形难易程度的重要参数。氢进入材料之后是否影响到原子之间的结合能,至今还尚无定论,而且实验结果也并不统一。大量的研究结果表明,氢对材料抗拉强度的影响主要取决于材料对氢的敏感程度。一般来说,如果材料对氢不敏感,氢对材料的抗拉强度就没有什么明显的影响;若材料对氢敏感,则氢对其抗拉强度的影响不可以忽略,而且对断裂应力也有明显的影响。氢对金属屈服强度的影响一直是有争议的问题。屈服强度的变化与材料中氢含量的关系甚大,随着材料中氢含量的增大屈服强度将增大,但材料中氢含量达到饱和之后屈服强度的变化趋向于稳定。  氢对材料延伸率的影响主要表现在材料的塑性性能的下降。不管材料对氢的敏感程度如何,材料在氢中往往使延伸性变差,即产生氢致塑性损失。对氢敏感的材料表现为延伸率的严重降低;不太敏感的材料表现为延伸率略有降低;不敏感的材料其延伸率几乎不变。氢对金属延伸率的影响也难以找到规律性,故将氢致延伸率损减作为材料的氢脆判断要特别注意试验条件。大量的试验表明,氢对材料塑性性能的影响最突出地表现在断面收缩的变化。对氢极其敏感的材料,其断面收缩率的损减在30%以上;对氢比较敏感的材料,其断面收缩率的氢损减在10%~30%之间;对氢不敏感材料,其断面收缩率在10%以下。材料断面收缩率的氢损减随材料中氢含量的增加而增加,因此当对比某些材料的氢损减时,应注意试验条件是否一致,特别是其氢含量是否达到饱和。断裂韧性是反应材料抵抗裂纹失稳扩展的量化指标,是防止构件低应力脆断所需要的关键参数。对于裂纹尖端处有弹塑性变形时,使裂纹产生失稳扩展的临界状态用J积分的临界值JIC表示。当含裂纹的试样处在氢气氛中,由于氢的吸附、溶解及应力诱导,使氢向裂纹尖端聚集,在饱和氢及应力的共同作用下会导致裂纹尖端低应力起裂并在起裂后裂纹不断扩展直致断裂。  纳米晶材料表现出超高屈服强度、耐磨性、低温易成型性、易应变硬化性与传统的粗晶材料相比。然而,由于氢原子进入材料引起氢脆使材料的机械性能降低,这一现象限制了氢能的大规模使用。到目前为止,即使是某一具体材料,氢脆机理也不是很清楚。晶界对氢在纳米晶体的扩散具有促进作用而面心立方和体心立方结构晶体材料的氢陷阱对材料氢脆现象的影响仍是一个比较争议的问题。晶界为氢在材料中扩散提供短程扩散通道,加速氢进入材料和氢在其中的扩散。然而,氢在镍的短程扩散理论受到了挑战,实验表明:晶界中存在大量的位错和空穴,而位错和空穴一般作为氢陷阱而存在,势必阻碍氢在其的扩散。氢在纳晶镍的扩散似乎受到了基于晶界的两种相对理论的共同影响,即:短程扩散理论和氢陷阱机理。
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