【摘要】：金屬氫損傷會(huì)引發(fā)災(zāi)難性事故,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)氫進(jìn)入金屬后導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)斷裂破壞損傷機(jī)理的研究十分必要。氫是從許多不同來(lái)源進(jìn)入金屬材料的普遍存在的元素。當(dāng)氫進(jìn)入金屬材料后,將會(huì)引起不可逆損傷,降低金屬材料的力學(xué)性能,如斷裂韌性、抗拉強(qiáng)度、延展性等,導(dǎo)致金屬的韌性和塑性降低,易使金屬在低應(yīng)力條件下發(fā)生開(kāi)裂和脆斷,總是對(duì)金屬的機(jī)械性能產(chǎn)生有害影響,例如,氫致開(kāi)裂、氫致滯后斷裂斷裂和氫脆。關(guān)于氫致金屬力學(xué)性能惡化的基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)還是統(tǒng)一的,但關(guān)于氫對(duì)力學(xué)性能影響的描述方面,至今仍以實(shí)驗(yàn)為主,模型多為數(shù)據(jù)擬合模型,難以用理論的方法得到定量關(guān)系。因此,本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析相結(jié)合的方法,系統(tǒng)的對(duì)氫進(jìn)入金屬后材料的力學(xué)性能進(jìn)行了表征,得到了氫損傷定量評(píng)價(jià)的方法,揭示了氫損傷影響材料性能的本質(zhì)和規(guī)律。本課題的研究對(duì)于實(shí)際工程中材料氫損傷的控制和防范具有重要的參考價(jià)值。論文的研究工作主要包括以下幾方面:(1)提出了一種金屬中氫損傷分布的測(cè)試方法,該方法是用顯微硬度儀對(duì)不同條件下金屬中氫損傷的分布規(guī)律進(jìn)行測(cè)試。采用圓柱試樣的逐層顯微硬度法和螺栓加載改進(jìn)型WOL試樣裂紋尖端非均勻應(yīng)力場(chǎng)的顯微硬度測(cè)試法,系統(tǒng)的研究了不同腐蝕濃度、不同腐蝕時(shí)間及不同外加應(yīng)力條件下氫在金屬中的分布行為。(2)進(jìn)行了腐蝕前后金屬材料的裂紋擴(kuò)展速率的實(shí)驗(yàn)研究,得到了不同環(huán)境、不同腐蝕時(shí)間,不同應(yīng)力比作用下裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn),通過(guò)分析不同條件下裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)的變化特征,討論了氫損傷改變材料力學(xué)性能的本質(zhì)。(3)進(jìn)行了腐蝕前后金屬材料拉伸性能和斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)研究,分析了氫損傷對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度指標(biāo)、彈性指標(biāo)、塑性指標(biāo)、裂紋擴(kuò)展阻力曲線(xiàn)和斷裂韌性等方面的影響。(4)應(yīng)用彈塑性斷裂力學(xué)方法探討裂紋尖端塑性區(qū)的氫損傷行為。然后結(jié)合腐蝕前后材料單調(diào)加載、一次性加載和周期加卸載情況下材料力學(xué)性能的變化,分析了裂紋尖端塑性區(qū)的氫損傷作用機(jī)理。論文的主要研究成果包括:(1)通過(guò)不同硫化氫腐蝕條件下氫損傷沿深度方向致金屬顯微硬度增量變化的特點(diǎn),得到了非飽和狀態(tài)下金屬內(nèi)氫損傷分布趨勢(shì)。金屬中的氫損傷存在一個(gè)飽和狀態(tài),該飽和狀態(tài)與金屬中氫的固溶度一致。氫進(jìn)入金屬后,沿深度方向金屬中出現(xiàn)了含氫飽和層,并且隨腐蝕時(shí)間的增加含氫飽和層的厚度增大,說(shuō)明金屬中氫損傷飽和狀態(tài)隨腐蝕時(shí)間的增加而增加。含氫飽和層以后,金屬中氫含量沿深度方向逐漸降低直至零,變化趨勢(shì)跟相同時(shí)間的理論分布曲線(xiàn)一致。含氫飽和層的厚度不受腐蝕濃度的影響,僅受腐蝕時(shí)間的影響。(2)基于不同硫化氫腐蝕條件下氫損傷沿深度方向分布的趨勢(shì),得到了非飽和狀態(tài)下金屬中氫損傷分布模型。對(duì)于同一種材料,含氫飽和層厚度與腐蝕時(shí)間之間有一定的冪函數(shù)關(guān)系。由此,建立了一個(gè)新的金屬中氫損傷分布模型。(3)基于非均勻應(yīng)力場(chǎng)中氫致金屬顯微硬度增量變化的特點(diǎn),得到了雙向等軸應(yīng)力場(chǎng)下氫損傷的分布趨勢(shì)。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,雙向等軸應(yīng)力場(chǎng)影響的顯微硬度增量變化和該應(yīng)力場(chǎng)對(duì)應(yīng)的氫損傷影響的顯微硬度增量變化之間存在簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系。(4)基于應(yīng)力環(huán)境中材料的氫損傷分布趨勢(shì),建立了雙向等軸應(yīng)力場(chǎng)下氫損傷分布模型。(5)基于氫損傷分布的研究,得到了顯微硬度增量的變化可以被用作表征金屬中局部區(qū)域氫損傷行為的主要參數(shù)。理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:不僅可以通過(guò)逐層顯微硬度法準(zhǔn)確的定量測(cè)量金屬中的氫損傷分布行為,而且在已知雙向等軸的工程應(yīng)力環(huán)境中,可以通過(guò)顯微硬度實(shí)驗(yàn)測(cè)定金屬中的氫損傷分布行為。(6)基于硫化氫腐蝕前后不同應(yīng)力比下金屬的裂紋擴(kuò)展速率并沒(méi)有產(chǎn)生明顯差異,說(shuō)明了金屬材料經(jīng)氫損傷后產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展速率改變是因?yàn)闅鋼p傷改變了材料的力學(xué)性質(zhì)。(7)基于硫化氫腐蝕前后金屬的拉伸性能的變化,進(jìn)一步證明了氫損傷主要影響金屬材料塑性性能。(8)構(gòu)建了一種裂紋尖端塑性區(qū)應(yīng)變線(xiàn)性分布假設(shè)的應(yīng)力分布分析方法,得到了裂紋尖端塑性區(qū)應(yīng)力分布和應(yīng)變分布。(9)依據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)應(yīng)變線(xiàn)性分布方法定性分析了腐蝕氫損傷改變裂紋擴(kuò)展速率的塑性損傷機(jī)理。按照裂紋張開(kāi)的模式,假設(shè)裂紋尖端塑性區(qū)的應(yīng)變沿距裂尖距離減小線(xiàn)性比例增加,則存在金屬的塑性性能受氫腐蝕影響下降的同時(shí),材料裂紋擴(kuò)展需要的最大塑性應(yīng)變也下降,從而造成了裂紋尖端啟裂韌度顯著降低,裂紋更容易擴(kuò)展,一次性加載情況下表現(xiàn)為氫損傷后金屬的斷裂韌性降低,周期加卸載情況下表現(xiàn)為氫損傷后金屬的裂紋擴(kuò)展速率增大。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:(1)不同腐蝕溶液濃度不同腐蝕浸泡時(shí)間的條件下,沿深度方向金屬中出現(xiàn)含氫飽和層,并且隨腐蝕時(shí)間的增加含氫飽和層的厚度增大。含氫飽和層以后,金屬中氫含量沿深度方向逐漸降低直至零。含氫飽和層的厚度不受腐蝕濃度的影響,僅受腐蝕時(shí)間的影響。雙向等軸應(yīng)力場(chǎng)影響的顯微硬度增量變化和該應(yīng)力場(chǎng)對(duì)應(yīng)的氫損傷影響的顯微硬度增量變化之間存在簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系。由此證明顯微硬度法可以測(cè)定在雙向等軸的工程應(yīng)力環(huán)境中的氫損傷分布行為。(2)金屬經(jīng)硫化氫腐蝕后不同應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展速率并沒(méi)有產(chǎn)生明顯差異,說(shuō)明金屬材料經(jīng)腐蝕氫損傷后產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展速率改變是因?yàn)闅鋼p傷改變了材料的力學(xué)性質(zhì)。(3)構(gòu)建了一種裂紋尖端塑性區(qū)應(yīng)變線(xiàn)性分布假設(shè)的應(yīng)力分布分析方法。依據(jù)該方法定性分析了腐蝕氫損傷改變裂紋擴(kuò)展速率的塑性損傷機(jī)理。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TG111.91;O346.1
【圖文】：

雜志發(fā)布報(bào)告稱(chēng)，中國(guó)已經(jīng)超過(guò)美國(guó)成為全球最大的石油凈進(jìn)口國(guó)。全球領(lǐng)先的能源咨詢(xún)機(jī)構(gòu) Wood Mackenzier 作出預(yù)測(cè)，在 2020 年，中國(guó)石油日均進(jìn)口水平將攀升至 920 萬(wàn)桶的水平，這相當(dāng)于在中國(guó)石油總需求中的占比達(dá)到 70%。大量進(jìn)口的中東原油，其含硫量高于國(guó)內(nèi)油田所產(chǎn)石油，對(duì)我國(guó)油氣運(yùn)輸提出了新的挑戰(zhàn)。硫化氫導(dǎo)致金屬材料突發(fā)性的硫化氫應(yīng)力腐蝕（SSC），造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，泄露出硫化氫的毒性也威脅著人身安全。我國(guó)的西氣東輸工程源頭塔里木油田，在 2009 年 1～11 月內(nèi)，管道共泄露 18 次，并且有 6 天之內(nèi) 3 次緊急搶險(xiǎn)的記錄。2013 年 11 月 22 日青島管道爆炸，造成 62 人死、136 人傷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7.5 億，其原因是腐蝕導(dǎo)致鋼管破裂，原油泄漏而進(jìn)一步引起爆炸。2014 年 6 月30 日，大連一條中石油輸油主管線(xiàn)泄漏引發(fā)爆炸。2015 年 7 月 16 日，山東日照科技有限公司的液化石油氣球型儲(chǔ)罐起火爆炸，爆炸先后發(fā)生三次。2016 年 8 月11 日，湖北省當(dāng)陽(yáng)市馬店矸石發(fā)電有限責(zé)任公司熱電項(xiàng)目在建調(diào)試過(guò)程中，高壓蒸汽管道破裂，蒸汽外泄，事故已導(dǎo)致 21 人死亡、5 人受傷。

圖 2-1 儀器化壓痕實(shí)驗(yàn)的載荷-壓痕深度曲線(xiàn)ig. 2-1 Schematic of instrumented indentation load displacement c凸起圖 在測(cè)定材料硬度的過(guò)程中，在壓痕周?chē)鷮?shí)驗(yàn)材觸面積在起始面之上延伸，命名為“堆積”。其他時(shí)候下，命名為“沉陷”。圖 2-2 展示了一個(gè)半徑為 R 的剛接觸幾何的穿透深度 h。該圖的左側(cè)顯示了有材料堆積現(xiàn)象。由于堆積和沉陷，實(shí)際投影接觸半徑 ac和表面投，a 是在原始未變形表面的平面上。類(lèi)似的，接觸深度的接觸表面的實(shí)際深度，不等于測(cè)試材料原始表面的全處接觸表面的切線(xiàn)和未變形表面之間的夾角 與壓頭引穿透深度改變。由于彈性恢復(fù)，當(dāng)壓痕力移除后，接彈[219]。

圖 2-3 圓柱試樣Fig. 2-3 Cylindrical specimen表 2-1 材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2-1 Chemical compositionC Si Mn S P 0.46 0.27 0.65 0.015 0.01濃度的硫化氫溶液腐蝕不同時(shí)間后進(jìn)蝕的環(huán)境為 NACE 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn) A 類(lèi)腐乙酸的水溶液中通入一定量的硫化氫氣的大小，配置溶液中的硫化氫含量分別定法進(jìn)行滴定，腐蝕時(shí)間分別為 24 h、

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