背景简介

小冲杆（Small punch, SP）试验已被广泛用于评估材料的机械性能，特别是在研究氢脆化对材料性能的影响方面，它被证明是一种有效的方法。因此，本研究提出了一种氢环境下小冲杆试验延性-脆性复合断裂的模拟方法，并将其应用于API X70钢的试验中。在延性断裂模拟中，使用由非脆性材料确定的多轴断裂应变损伤模型，其中氢脆常数C_H由氢环境中的SP试验确定。为了模拟脆性断裂，引入临界应力法，其中临界应力通过V形缺口圆棒试样在氢气环境下的拉伸试验确定。确定的模型被应用于模拟氢环境下的SP试验，展示出一种延和脆性组合的断裂模式。该模拟不仅准确的复现载荷-位移曲线，还可以再现试验中观察到周向延性开裂，以及随后的径向脆性开裂。

试验介绍

本研究考虑了两种类型的API X70钢。对于第一种类型（“1型”） 的API X70钢，参考文献进行了光滑圆棒（Smooth round bar, SRB）、V形缺口圆棒（V notch round bar, VNRB）和小冲杆试验。对于第二种类型的X70钢（“2型”），本研究进行了板材拉伸试验和SP试验。两种类型的API X70钢化学成分仅有微小的差异（表1）。SRB试样和VNRB试样的最小截面直径为6 mm，两种类型的试样和板材拉伸实验的试样具体尺寸如图1所示。

表1 API X70的化学成分（wt.%）

图1 试样尺寸示意图：SRB试样（左）；VNRB试样（中）；板材拉伸实验试样（右）

（1）图2a和b显示了在氢分压（P_H2）为10MPa时，使用1型X70钢开展SRB试验和SP试验产生周向裂纹的断裂面，断裂表面由大而扁平且细长的小平面组成，并且没有任何二次裂纹。与此不同的是，VNRB试验的断裂面在标记为“IG（晶间）”的区域存在长的二次裂纹（图2c）。这是由于应力集中，VNRB试验中的氢脆现象比SRB试验中的更加显著。图3显示了P_H2=5MPa条件下使用2型X70钢进行的SP试验结果，可以发现裂纹沿周向和径向方向扩展。图3b显示了由氢增强局部塑性（HELP）机制产生的周向表面裂纹，并且第一次周向开裂在裂纹附近产生高度集中的应力场。由于集中应力，穿晶（TG）和晶间（IG）组合断裂沿径向表面和厚度方向形成（图3c）。因此，高压氢环境下SP试验的断裂是由HELP和HEDE（Hydrogen-enhanced decohesion，氢增强脱粘）机制共同作用引起的。

图2 1型 X70钢在10MPa氢分压下的典型断裂面：(a) SRB拉伸试验；(b) SP试验；(c) VNRB拉伸试验

图3 2型X70钢在5 MPa氢分压下的小冲杆试验断口表面：(a) 低放大倍率图像；(b) 周向裂纹的高放大倍率图像；(c) 径向裂纹的高放大倍率图像

（2）使用有限元损伤分析能够较好地模拟空气中的力-位移曲线。图4a比较了氢环境下实验获取的力-位移曲线以及使用或不使用延-脆性组合损伤模型的有限元模拟结果，直到裂纹萌生点（0.8 mm位移）之前的载荷-位移曲线不受损伤累积的影响。由于模拟的力-位移曲线远高于实验结果，因此对氢脆指数C_H进行了敏感性分析。结果表明，随着C_H的减少，裂纹萌生更早发生，且裂纹萌生位移也减少。与实验力-位移曲线的比较表明，当σ_c=1430MPa和C_H=0.17时表现出了最佳的一致性（图4b）。

图4 (a) 模拟的力-位移曲线与实验结果的比较；(b) C_H对2型X70钢模拟的力-位移曲线的影响

（3）图5a显示了空气中SP试验的模拟力-位移曲线。而分析针对模拟力-位移曲线中的三个点进行，图5b显示了最大载荷下的塑性应变轮廓（标记为点“1”）。其中变形由于薄膜拉伸引起，最大应变发生在距离试样中心0.6~0.7mm处，而在最大载荷下，颈缩发生在最大塑性变形区域。图5c显示了断裂前的剖面图和仰视图（标记为点“2”），周向延性裂纹由于厚度较薄，几乎同时在底部和顶部表面的颈缩区域萌生（∑D>D_c）。裂纹萌生后，周向延性裂纹向材料厚度方向扩展（标记为点“3”）。此外，模拟的裂纹区的半径和裂纹的径向厚度与实验结果吻合良好。并且在空气环境下的SP测试和模拟中，试样仅发生延性断裂。

图5 (a) 空气环境下模拟小冲孔试验的力-位移曲线；(b) 最大载荷下变形截面的有限元塑性应变轮廓 (“1”点)；(c) 断裂前的截面和底图 (“2”点)；(d) 试验底图与破坏时有限元分析结果的对比 (“3”点)，其中颜色较深的区域表示延性断裂。

（4）图6a显示了P_H2=10 MPa条件下进行SP试验的模拟力-位移曲线，分析同样在曲线上的三个点上进行。裂纹底面的应力应变状态为轴对称，且试样底部表面光滑，没有任何应力集中区，如图6b所示（标记为“1”点）。因此，由于氢脆材料的断裂应变降低，首先发生圆形延性断裂。在延性裂纹萌生后，萌生的裂纹表现为圆形缺口。而图6c的结果表明裂纹在裂纹萌生后沿厚度方向扩展。沿厚度方向开裂后，力随着脆性开裂而减小（标记为“3”点），如图6d。结果表明模拟的周向和径向裂纹与实验结果吻合较好，说明提出的延-脆性复合断裂模型较好地反映了氢脆X70钢的断裂机理。

图6 (a) P_H2=10 MPa下小冲杆试验的模拟力-位移曲线；(b) 点“1”处的截面图和底视图；(c) 点“2”处的剖面图和底图；(d) 实验底视图与点“3”处的有限元分析结果的比较，其中灰色和黑色区域分别代表延性和脆性断裂区域。

本文通讯作者：Yun-Jae Kim（Department of Mechanical Engineering, Korea University, Seongbuk-Gu, Seoul 02841, South Korea）。

本期小编：王家兴（整理）

王永杰（校对）

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闵　琳（发布）