【摘要】：金屬氫損傷會引發(fā)災難性事故,造成巨大的經濟損失。因此,對氫進入金屬后導致材料和結構斷裂破壞損傷機理的研究十分必要。氫是從許多不同來源進入金屬材料的普遍存在的元素。當氫進入金屬材料后,將會引起不可逆損傷,降低金屬材料的力學性能,如斷裂韌性、抗拉強度、延展性等,導致金屬的韌性和塑性降低,易使金屬在低應力條件下發(fā)生開裂和脆斷,總是對金屬的機械性能產生有害影響,例如,氫致開裂、氫致滯后斷裂斷裂和氫脆。關于氫致金屬力學性能惡化的基本規(guī)律的認識還是統(tǒng)一的,但關于氫對力學性能影響的描述方面,至今仍以實驗為主,模型多為數(shù)據擬合模型,難以用理論的方法得到定量關系。因此,本文采用實驗測試和理論分析相結合的方法,系統(tǒng)的對氫進入金屬后材料的力學性能進行了表征,得到了氫損傷定量評價的方法,揭示了氫損傷影響材料性能的本質和規(guī)律。本課題的研究對于實際工程中材料氫損傷的控制和防范具有重要的參考價值。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試方法,該方法是用顯微硬度儀對不同條件下金屬中氫損傷的分布規(guī)律進行測試。采用圓柱試樣的逐層顯微硬度法和螺栓加載改進型WOL試樣裂紋尖端非均勻應力場的顯微硬度測試法,系統(tǒng)的研究了不同腐蝕濃度、不同腐蝕時間及不同外加應力條件下氫在金屬中的分布行為。(2)進行了腐蝕前后金屬材料的裂紋擴展速率的實驗研究,得到了不同環(huán)境、不同腐蝕時間,不同應力比作用下裂紋擴展速率曲線,通過分析不同條件下裂紋擴展速率參數(shù)的變化特征,討論了氫損傷改變材料力學性能的本質。(3)進行了腐蝕前后金屬材料拉伸性能和斷裂韌性的實驗研究,分析了氫損傷對金屬強度指標、彈性指標、塑性指標、裂紋擴展阻力曲線和斷裂韌性等方面的影響。(4)應用彈塑性斷裂力學方法探討裂紋尖端塑性區(qū)的氫損傷行為。然后結合腐蝕前后材料單調加載、一次性加載和周期加卸載情況下材料力學性能的變化,分析了裂紋尖端塑性區(qū)的氫損傷作用機理。論文的主要研究成果包括:(1)通過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,得到了非飽和狀態(tài)下金屬內氫損傷分布趨勢。金屬中的氫損傷存在一個飽和狀態(tài),該飽和狀態(tài)與金屬中氫的固溶度一致。氫進入金屬后,沿深度方向金屬中出現(xiàn)了含氫飽和層,并且隨腐蝕時間的增加含氫飽和層的厚度增大,說明金屬中氫損傷飽和狀態(tài)隨腐蝕時間的增加而增加。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,變化趨勢跟相同時間的理論分布曲線一致。含氫飽和層的厚度不受腐蝕濃度的影響,僅受腐蝕時間的影響。(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,得到了非飽和狀態(tài)下金屬中氫損傷分布模型。對于同一種材料,含氫飽和層厚度與腐蝕時間之間有一定的冪函數(shù)關系。由此,建立了一個新的金屬中氫損傷分布模型。(3)基于非均勻應力場中氫致金屬顯微硬度增量變化的特點,得到了雙向等軸應力場下氫損傷的分布趨勢。理論分析和實驗研究結果表明,雙向等軸應力場影響的顯微硬度增量變化和該應力場對應的氫損傷影響的顯微硬度增量變化之間存在簡單的疊加關系。(4)基于應力環(huán)境中材料的氫損傷分布趨勢,建立了雙向等軸應力場下氫損傷分布模型。(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)。理論分析和實驗測試結果表明:不僅可以通過逐層顯微硬度法準確的定量測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力環(huán)境中,可以通過顯微硬度實驗測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力比下金屬的裂紋擴展速率并沒有產生明顯差異,說明了金屬材料經氫損傷后產生的裂紋擴展速率改變是因為氫損傷改變了材料的力學性質。(7)基于硫化氫腐蝕前后金屬的拉伸性能的變化,進一步證明了氫損傷主要影響金屬材料塑性性能。(8)構建了一種裂紋尖端塑性區(qū)應變線性分布假設的應力分布分析方法,得到了裂紋尖端塑性區(qū)應力分布和應變分布。(9)依據裂紋尖端塑性區(qū)應變線性分布方法定性分析了腐蝕氫損傷改變裂紋擴展速率的塑性損傷機理。按照裂紋張開的模式,假設裂紋尖端塑性區(qū)的應變沿距裂尖距離減小線性比例增加,則存在金屬的塑性性能受氫腐蝕影響下降的同時,材料裂紋擴展需要的最大塑性應變也下降,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展速率增大。主要創(chuàng)新點如下:(1)不同腐蝕溶液濃度不同腐蝕浸泡時間的條件下,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,僅受腐蝕時間的影響。雙向等軸應力場影響的顯微硬度增量變化和該應力場對應的氫損傷影響的顯微硬度增量變化之間存在簡單的疊加關系。由此證明顯微硬度法可以測定在雙向等軸的工程應力環(huán)境中的氫損傷分布行為。(2)金屬經硫化氫腐蝕后不同應力比下的裂紋擴展速率并沒有產生明顯差異,說明金屬材料經腐蝕氫損傷后產生的裂紋擴展速率改變是因為氫損傷改變了材料的力學性質。(3)構建了一種裂紋尖端塑性區(qū)應變線性分布假設的應力分布分析方法。依據該方法定性分析了腐蝕氫損傷改變裂紋擴展速率的塑性損傷機理。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TG111.91;O346.1
【圖文】：

雜志發(fā)布報告稱，中國已經超過美國成為全球最大的石油凈進口國。全球領先的能源咨詢機構 Wood Mackenzier 作出預測，在 2020 年，中國石油日均進口水平將攀升至 920 萬桶的水平，這相當于在中國石油總需求中的占比達到 70%。大量進口的中東原油，其含硫量高于國內油田所產石油，對我國油氣運輸提出了新的挑戰(zhàn)。硫化氫導致金屬材料突發(fā)性的硫化氫應力腐蝕（SSC），造成巨大的經濟損失，泄露出硫化氫的毒性也威脅著人身安全。我國的西氣東輸工程源頭塔里木油田，在 2009 年 1～11 月內，管道共泄露 18 次，并且有 6 天之內 3 次緊急搶險的記錄。2013 年 11 月 22 日青島管道爆炸，造成 62 人死、136 人傷，經濟損失達7.5 億，其原因是腐蝕導致鋼管破裂，原油泄漏而進一步引起爆炸。2014 年 6 月30 日，大連一條中石油輸油主管線泄漏引發(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罐起火爆炸，爆炸先后發(fā)生三次。2016 年 8 月11 日，湖北省當陽市馬店矸石發(fā)電有限責任公司熱電項目在建調試過程中，高壓蒸汽管道破裂，蒸汽外泄，事故已導致 21 人死亡、5 人受傷。

圖 2-1 儀器化壓痕實驗的載荷-壓痕深度曲線ig. 2-1 Schematic of instrumented indentation load displacement c凸起圖 在測定材料硬度的過程中，在壓痕周圍實驗材觸面積在起始面之上延伸，命名為“堆積”。其他時候下，命名為“沉陷”。圖 2-2 展示了一個半徑為 R 的剛接觸幾何的穿透深度 h。該圖的左側顯示了有材料堆積現(xiàn)象。由于堆積和沉陷，實際投影接觸半徑 ac和表面投，a 是在原始未變形表面的平面上。類似的，接觸深度的接觸表面的實際深度，不等于測試材料原始表面的全處接觸表面的切線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，當壓痕力移除后，接彈[219]。

圖 2-3 圓柱試樣Fig. 2-3 Cylindrical specimen表 2-1 材料的化學成分（質量分數(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間后進蝕的環(huán)境為 NACE 規(guī)定的標準 A 類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行滴定，腐蝕時間分別為 24 h、

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本文編號：2785742