Click to edit Master title style,Edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,20/8/2018,#,Q&P,钢中的氢致延迟断裂机理及改进方案,王舟，骆智超，黄明欣*,香港大学 机械学院,2018,年,8,月,30,日,1,Q&P 钢中的氢致延迟断裂机理及改进方案王舟，骆智超，黄明欣,车用先进高强度钢,2,Cliff Butcher,University of Waterloo,2017,AHSS,钢在白车身减重、安全性上发挥着重要作用,车用先进高强度钢2Cliff Butcher,Univer,为什么研究,QP,钢？,1st,3rd,2nd,第一代先进高强钢：,进一步提升强度与韧性困难,第二代先进高强钢：,强度与韧性优异，但造价过于昂贵,第三代先进高强钢：,强度与韧性介于两者之间，成本合理,QP,钢属于第三代先进高强钢,，是研发热点,应用前景广阔：,通用乐风,RV,轿车采用,QP980,制造,A,柱内板及顶盖横梁,3,Metallogr.Microstruct.Anal,2013,为什么研究QP钢？1st3rd2nd第一代先进高强钢：进一步,为什么研究,QP,钢,QP,工艺示意图,Metallogr.Microstruct.Anal,2013,10 um,10 um,M,RA,10 um,RA,M,M,F,微观组织,复杂,：,马氏体、铁素体、贝氏体、残余奥氏体（,10%-20%,）等,变形与断裂机制,复杂,：,亚稳残余奥氏体,（,TRIP,效应）,典型的,QP,钢微观组织,（右图中红色为残余奥氏体）,4,QP,钢的工艺过程简单,合金成分简单,为什么研究QP钢QP工艺示意图Metallogr.Micr,为什么研究,QP,钢,QP,工艺示意图,Metallogr.Microstruct.Anal,2013,10 um,10 um,M,RA,10 um,RA,M,M,F,微观组织,复杂,：,马氏体、铁素体、贝氏体、残余奥氏体（,10%-20%,）等,变形与断裂机制,复杂,：,亚稳残余奥氏体,（,TRIP,效应）,典型的,QP,钢微观组织,（右图中红色为残余奥氏体）,5,QP,钢的工艺过程简单,合金成分简单,实际应用之前必须深入研究,为什么研究QP钢QP工艺示意图Metallogr.Micr,什么是延迟断裂,在成形过程中，零件并不发生断裂,但,经过一段时间,，通常是由于,氢与残余应力,的作用，零件发生断裂失效,6,304,不锈钢的不同拉延比的冲杯试样,ISIJ,Suvi Papula,2015,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,I,II,III,I,微裂纹形核,II,裂尖形成塑性区，阻碍裂纹扩展,III,氢向裂纹尖端扩散、富集，促进裂纹扩展，导致延迟断裂,什么是延迟断裂在成形过程中，零件并不发生断裂6304不锈钢的,为什么要研究,QP,钢延迟断裂,大多数,QP,钢强度接近或超过,1GPa,，延迟断裂风险更加显著,TRIP,效应会形成脆性马氏体组织，增大延迟断裂风险,延迟断裂严重影响服役安全性能,，机理却尚无定论,1 GPa,QP,7,QP,钢冲杯试样浸泡在盐水中数天,证明,QP,钢中确实存在延迟断裂问题,为什么要研究QP钢延迟断裂大多数QP钢强度接近或超过1GPa,10 um,10 um,10 um,QP#1,56.0%,铁素体,33.4%,马氏体,10.6%,残余奥氏体,材料：两种含铁素体,QP,钢（工业卷）,QP#2,21.0%,铁素体,7,1.0,%,马氏体,8.,0,%,残余奥氏体,Band contrast+phase map,红色代表残余奥氏体,RA,M,M,*残余奥氏体分数由,XRD,得到，其余通过,SEM,图像的得到,10 um,M,RA,10 um,RA,M,M,F,F,8,10 um10 um10 umQP#1材料：两种含铁素体Q,力学性能,兼顾拉伸强度与延伸率,#1,的拉伸强度接近,1000MPa,，,#2,的拉伸强度约,1200MPa,，两种,QP,钢都有较大可能存在延迟断裂风险,9,力学性能兼顾拉伸强度与延伸率9,冲杯试样延迟断裂试验,10,QP#1,喷盐水,浸泡盐水,QP#2,喷盐水,浸泡盐水,暴露在空气中的样品均未延迟断裂,暴露在腐蚀环境下的样品，,#1,明显优于,#2,冲杯试验,暴露于不同环境（空气、盐水喷洒、盐水浸泡）,冲杯试样延迟断裂试验10QP#1喷盐水浸泡盐水QP#2喷,不同拉延比的冲杯试验,11,拉延比：,1.56,拉延比：,1.87,QP#1,喷盐水,浸泡盐水,QP#2,喷盐水,浸泡盐水,暴露在空气中的样品均未延迟断裂,较大的拉延比会增大延迟断裂风险（可能与残余应力、塑性变形大小等相关）,在腐蚀环境中，,#1,的抗延迟断裂性能更好,不同拉延比的冲杯试验11拉延比：1.56拉延比：1.87QP,冲杯试样的延迟断裂断口,QP#1,韧窝,（内壁侧）,主要由,准解理断裂形貌与韧窝,构成，有清晰分界线,冲杯内壁残余应力状态可能为压应力，抑制了延迟断裂,内壁,外壁,12,冲杯试样的延迟断裂断口 QP#1 韧窝主要由准解,冲杯试样的延迟断裂断口,QP#2,韧窝,（内壁侧）,主要由,准解理断裂形貌与沿晶断裂,构成，全部为脆性断裂,对应了,#2,更差的抗延迟断裂性能,内壁,外壁,13,冲杯试样的延迟断裂断口 QP#2 韧窝主要由准解,预充氢慢应变速率拉伸,电解液,3 wt%NaCl+0.3 wt%NH,4,SCN,电流密度,1.1 mA,cm,-2,充氢时间,:30 min,应变速率,2 X 10,-5,试验重复次数：三次,延伸率下降指数,QP,#1,:70.20%,QP,#2,:80.63%,14,QP#2,的氢脆敏感性更大，与延迟断裂结果相符,预充氢慢应变速率拉伸电解液延伸率下降指数14QP#2的氢脆,预充氢慢应变速率拉伸断口,15,10 um,10 um,10 um,10 um,1 mm,1 mm,#1,#2,#1,#2,QP#2,在氢的影响下更容易形成沿晶断裂，造成其对氢更加敏感,断裂形貌不同，氢致断裂机理亦可能存在差异,预充氢慢应变速率拉伸断口1510 um10 um10 um1,为什么,#1,抗延迟断裂性能更好？,残余应力大小,塑性变形大小,微观组织,残余奥氏体体积分数及稳定性,马氏体与铁素体体积分数及分布,16,可能的原因有：,为什么#1抗延迟断裂性能更好？残余应力大小16可能的原因有：,残余应力,与塑性变形,残余应力越大，塑性变形越大，延迟断裂风险也相对更大,有限元模拟计算得到的不同,QP,钢冲杯后的残余应力：,拉延比,1.56,拉延比,1.87,残余应力,(MPa),塑性变形,延迟断裂,裂纹数,残余应力,(MPa),塑性变形,延迟断裂,裂纹数,QP#1,596.0,0.3630,0,841.1,0.5274,2,QP,#2,795.4,0.3543,9,1060.9,0.5581,10,在相同拉延比下,，对比不同,#1,与,#2,，发现,#2,中残余应力更大,强度越高，残余应力通常也越大，符合规律,17,残余应力与塑性变形残余应力越大，塑性变形越大，延迟断裂风险也,残余应力与,塑性变形,在相同材料中,，对比不同拉延比，发现拉延比越大，塑性变形也越大,拉延比越大，对应的延迟断裂裂纹数也越多,18,QP#1,QP#2,塑性变形,延迟断裂,裂纹数,塑性变形,延迟断裂,裂纹数,拉延比,1.56,0.3630,0,0.3543,9,拉延比,1.87,0.5274,2,0.5581,10,残余应力与塑性变形在相同材料中，对比不同拉延比，发现拉延比越,残余应力与,塑性变形,在相同材料中,，对比不同拉延比，发现拉延比越大，塑性变形也越大,拉延比越大，对应的延迟断裂裂纹数也越多,19,QP#1,QP#2,塑性变形,延迟断裂,裂纹数,塑性变形,延迟断裂,裂纹数,拉延比,1.56,0.3630,0,0.3543,9,拉延比,1.87,0.5274,2,0.5581,10,残余应力与塑性变形是否可以完全解释,#1,与,#2,的区别呢？,残余应力与塑性变形在相同材料中，对比不同拉延比，发现拉延比越,残余应力与塑性变形,20,拉延比,残余应力,(MPa),塑性变形,延迟断裂,裂纹数,QP#1,1.56,841.1,0.5274,2,QP,#2,1.87,795.4,0.3543,9,左图总结了残余应力与塑性变形的计算结果,残余应力与塑性变形并不能完全解释,#1,与,#2,抗延迟断裂性能的差别,残余应力与塑性变形20拉延比残余应力(MPa)塑性变形延,残余奥氏体及稳定性,21,残余奥氏体初始含量接近（,#1:10.6%,，,#2:8.0%,）,残余奥氏体稳定性接近，,形变诱发马氏体分数随应变的变化趋势相似,残余奥氏体的差别亦无法很好地解释两种材料的氢致延迟断裂性能,残余奥氏体及稳定性21残余奥氏体初始含量接近（#1:10.,铁素体体积分数及分布,22,10 um,M,RA,10 um,#1,：,56%F,#2,：,21%F,在,QP#1,中,铁素体可以阻碍已形核氢致裂纹的扩展,铁素体可以打断连续的原奥氏体晶界，抑制氢致沿晶断裂,#1,#2,铁素体体积分数及分布2210 umMRA10 um#1：56,铁素体体积分数及分布,23,铁素体在,QP#1,与,QP#2,的氢致延迟断裂过程中发挥了重要的作用,QP#1,QP#2,铁素体体积分数及分布23铁素体在QP#1与QP#2的氢致,总结,24,通过冲杯试验与预充氢慢应变速率拉伸试验，比较了,QP#1,与,QP#2,的抗氢致延迟断裂性能,系统分析了残余应力、塑性变形、残余奥氏体、铁素体分数在,QP,钢抗延迟断裂性能中发挥的作用，将控制铁素体分数及分布作为新的改进方案,在工业生产中，由于较慢的淬火速率或不完全奥氏体化处理，,QP,钢中难以避免地会出现铁素体，本研究为如何利用这些铁素体以提升延迟断裂性能提供了新思路,总结24通过冲杯试验与预充氢慢应变速率拉伸试验，比较了QP,谢谢各位聆听，欢迎提问！,25,Q&P,钢中的氢致延迟断裂机理及改进方案,谢谢各位聆听，欢迎提问！25Q&P 钢中的氢致延迟断裂机理及,