本文關(guān)鍵詞： 高強(qiáng)度螺栓 氫致延遲斷裂 氫擴(kuò)散動(dòng)力學(xué) 控制技術(shù) 慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：高強(qiáng)度螺栓廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備,在惡劣的海洋環(huán)境中,易于發(fā)生氫致延遲斷裂現(xiàn)象,給裝備的正常運(yùn)行帶來極大的安全隱患。材料的組織、氫和應(yīng)力狀態(tài)是高強(qiáng)度螺栓氫致延遲斷裂的三個(gè)重要因素,尤其是內(nèi)氫在螺紋根部應(yīng)力集中處的擴(kuò)散、富集,是高強(qiáng)度螺栓斷裂的主要因素。氫致延遲斷裂的防控需從這三方面因素著手進(jìn)行研究分析,因而,研究高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、氫在材料中的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)及氫致延遲斷裂的控制手段具有重要的理論和工程意義。本文選取典型的海洋工程用高強(qiáng)度螺栓材料40CrNiMoA、0Cr16Ni5Mo和12CrNi9MoV鋼,并利用有限元分析、力學(xué)測試、微觀組織觀察及電化學(xué)測試等手段,對三種試驗(yàn)鋼的氫致斷裂問題的內(nèi)因和外因進(jìn)行剖析、總結(jié),并試圖找出氫致延遲斷裂的合理控制手段。為研究材料在使用中氫聚集后的力學(xué)和化學(xué)行為,需要研究試驗(yàn)鋼的陰極充氫工藝以制備研究的試樣。結(jié)果表明,充氫過程應(yīng)采用“長時(shí)間,小電流”的原則,可以起到氫原子均勻分布于試樣,且有效避免試樣表面產(chǎn)生氫致?lián)p傷的作用。氫含量均隨充氫時(shí)間的延長及充氫電流密度的增加而增加,達(dá)到一定時(shí)間后,處于穩(wěn)態(tài)值。該工作能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用中研究內(nèi)氫在螺栓中某一部位擴(kuò)散、富集并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值提供試驗(yàn)驗(yàn)證,同時(shí)也為內(nèi)氫聚集達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。氫擴(kuò)散系數(shù)是表征氫在鋼中擴(kuò)散能力的重要參量。本文采用氫擴(kuò)散理論中的穿透時(shí)間法和時(shí)間滯后法計(jì)算了試驗(yàn)鋼的表觀氫擴(kuò)散系數(shù)。利用不同類型螺栓用鋼的氫擴(kuò)散系數(shù),評估了氫在鋼中富集部位達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間及富集程度,從而為評價(jià)氫在不同材質(zhì)螺栓應(yīng)力集中處聚集的過程及趨勢做鋪墊。利用升溫脫氫分析技術(shù),研究了氫在試驗(yàn)鋼中的陷阱行為,并以逸出激活能的形式評估了鋼中不同類型氫原子的逸出能力。本工作對研究內(nèi)氫在不同類型螺栓用鋼中的擴(kuò)氫難易程度及利用有益氫陷阱來降低氫致延遲斷裂敏感性具有重要意義,同時(shí)也為不同類型螺栓用鋼的選材提供參考。采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn),本文研究了氫對缺口試樣和光滑試樣應(yīng)力應(yīng)變特性的影響。該研究能夠很好地評價(jià)不同類型螺栓用鋼在內(nèi)氫作用下的承載能力,且其內(nèi)氫含量與缺口強(qiáng)度及塑性指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用中螺栓強(qiáng)度的選擇和安全性評價(jià)提供參考。同時(shí),拉伸試樣的斷口形貌表明,氫致斷裂斷口形貌隨著鋼中氫含量的升高,由韌窩型韌性斷口逐漸向穿晶準(zhǔn)解理甚至沿晶斷裂特征過渡,從而為實(shí)際工況中螺栓失效分析提供復(fù)原模擬作用。采用有限元分析模擬手段,缺口試樣的根部區(qū)域應(yīng)力分布得到了直觀的呈現(xiàn)。通過設(shè)計(jì)模型中不同的缺口半徑和材料參數(shù),獲得了不同缺口半徑、不同強(qiáng)度狀態(tài)下缺口根部的應(yīng)力集中系數(shù)。此分析為應(yīng)力誘導(dǎo)氫擴(kuò)散模擬提供了預(yù)定義場。利用應(yīng)力誘導(dǎo)-氫擴(kuò)散順次耦合的有限元程序,獲得了氫在應(yīng)力誘導(dǎo)下缺口根部氫濃度的分布狀態(tài)及富集趨勢,為工程應(yīng)用中螺栓發(fā)生氫致斷裂的斷口形貌分析提供借鑒,也可為螺栓的安全性評價(jià)提供參考。本文利用理論計(jì)算與有限元模擬相結(jié)合的手段,探討了高強(qiáng)度螺栓氫致延遲斷裂的控制技術(shù)。缺口根部的微區(qū)塑性變形對于應(yīng)力集中的緩解具有重要作用,而氫原子的引入,對塑性變形具有復(fù)雜影響。內(nèi)氫含量、缺口半徑和螺栓用鋼的氫致局部斷裂臨界應(yīng)變?nèi)咧g的關(guān)系,成為防控高強(qiáng)度螺栓氫致延遲斷裂的關(guān)鍵,也為高強(qiáng)度螺栓的合理選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。高強(qiáng)度螺栓在實(shí)際應(yīng)用時(shí),通常根據(jù)使用環(huán)境來選擇合適的電鍍層來增加零件的使用年限。本文利用電化學(xué)手段對常用的幾種螺栓鍍層進(jìn)行耐蝕性評價(jià)及鍍層腐蝕階段的電化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行分析,探討了其不同的耐蝕性機(jī)理。通過系統(tǒng)地對比分析,找出海洋工程應(yīng)用中,適合高強(qiáng)度螺栓低氫脆、低后脆的防護(hù)鍍層。其中,Zn-Ni和Cd-Ti鍍層的耐蝕性相當(dāng),但從環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性考慮,在海洋大氣環(huán)境中,Zn-Ni鍍層有望替代Cd-Ti鍍層;而在海水中,可以考慮將陰極性鍍層Ni-W-P替代Cd-Ti鍍層作為高強(qiáng)度螺栓阻氫及低后脆的防護(hù)措施。
[Abstract]:High strength bolts are widely used in marine engineering equipment, in the harsh marine environment, prone to hydrogen induced delayed fracture phenomenon, bring a great security risk to the normal operation of equipment. The microstructure, hydrogen and stress state are three important factors induced delayed fracture of high strength bolts of hydrogen, especially in diffusion. The hydrogen at the thread root stress concentration enrichment, is a major factor in fracture of high strength bolts. The prevention and control of hydrogen induced delayed fracture from these three factors were analyzed, thus, the research of high strength bolt connection structure stress state, has important theoretical and practical significance to control the means of diffusion induced delayed fracture kinetics and hydrogen in the material. The material selection for high strength bolts 40CrNiMoA typical ocean engineering, 0Cr16Ni5Mo and 12CrNi9MoV steel, and the use of finite element analysis, mechanical test, microstructure observation Method and electrochemical test, the internal and external problems caused by fracture of three steel test of hydrogen to analyze, summarize, and try to find out the reasonable control method of hydrogen induced delayed fracture. As the research materials in the use of hydrogen concentration of the mechanical and chemical behavior, need cathodic hydrogen charging process of steel production research to test for the samples. The results showed that the hydrogen charging process should use "long time, small current" principle, can play the role of hydrogen atoms are evenly distributed in the sample, and avoid the sample surface to produce hydrogen induced damage. The hydrogen content increased with the increase of hydrogen charging time delay and hydrogen charging current density increases. After a certain period of time, in a steady state value. The work can be a part of the hydrogen diffusion in the engineering application in the bolt, and eventually reached a steady value for enrichment experiments, but also for the hydrogen accumulation reaches the steady state value calculation Foundation The foundation. The hydrogen diffusion coefficient is an important parameter for characterization of diffusion of hydrogen in steel. This paper uses the hydrogen diffusion theory in the penetration time and time lag method to calculate the test steel apparent hydrogen diffusion coefficient. The use of different types of steel for bolts on the hydrogen diffusion coefficient, and evaluated the degree of enrichment of hydrogen in steel. Part time reaching equilibrium state, so as to pave the way for the evaluation process and the trend of hydrogen in different material bolt stress concentration accumulation. Using heating dehydrogenation analysis technology, studied the behavior of hydrogen in steel trap in the test, and to escape the activation energy of different forms of assessment of hydrogen atoms in steel. The ability to escape work on the study of hydrogen diffusion hydrogen in different types of bolts in steel and ease of use of beneficial hydrogen traps to reduce the significance of hydrogen induced delayed fracture susceptibility, but also for different types of bolt steel selection Provide reference material. Using slow strain rate tensile test, this paper studied the hydrogen effect of stress and strain characteristics of notched specimens and smooth specimens. The study can well evaluate the different types of bolt steel, hydrogen loading, and the corresponding relationship between the hydrogen content and the notch strength and plasticity index it can provide the reference for the bolt strength in engineering application and safety evaluation. At the same time, show that the fracture morphology of tensile specimens, hydrogen induced fracture morphology with increasing hydrogen content in steel, the dimple fracture and intergranular fracture characteristics of quasi cleavage transgranular to transition gradually, so as to provide recovery simulation function failure analysis for the actual bolt condition. By means of finite element simulation and analysis of the root zone of notched specimen stress distribution has been presented directly. Through the notch radius and different materials in the design model. The number of the different notch radii, notch stress intensity under the condition of different concentration coefficient. The analysis of stress induced by the hydrogen diffusion simulation provides predefined field. By using the finite element program of stress induced hydrogen diffusion coupling, the hydrogen distribution and enrichment trend in stress induced by Notch hydrogen the concentration, to provide reference for the engineering application of bolt fracture morphology of hydrogen induced fracture analysis, but also provide a reference for the safety evaluation of bolt. According to the theoretical calculation and finite element simulation using phase method, discusses the control technology of induced delayed fracture of high strength bolts hydrogen. Notch micro plastic deformation zone to alleviate the stress concentration plays an important role, and the hydrogen atoms are introduced, which has complex effect on plastic deformation. The hydrogen content, the notch radius and bolt steel hydrogen induced fracture of the three local critical strain The relationship between induced delayed fracture prevention and control become the key of high strength bolts for hydrogen, reasonable selection of high strength bolts, provide theoretical reference for structure design of high strength bolt. In practical application, usually based on the use of the environment to select suitable plating layer to increase the service life of parts. In this paper, the electrochemical method of several bolts coating the analysis of electrochemical reaction in corrosion resistance and corrosion evaluation stage, discusses the different resistance mechanism. Through the systematic comparison and analysis, find out the marine engineering application, suitable for high strength bolts of low hydrogen embrittlement, protective coating brittle and low. The corrosion resistance of Zn-Ni coating and Cd-Ti quite, but from the environmental and economic considerations, in marine atmospheric environment, is expected to replace the Zn-Ni coating Cd-Ti coating; and in the sea, can be considered to be Ni-W-P instead of Cd-Ti cathode coating coating as Protective measures for hydrogen resistance and low embrittlement of high strength bolts.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG142.1

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本文編號：1448165