高强度钢板延迟断裂试验方法研究进展
摘要：为进一步了解高强度钢板在使用过程中发生延迟开裂的问题，总结了国内外针对高强度钢板延迟开裂的试验方法即恒应变延迟断裂试验、SSRT（低应变速率）延迟断裂试验、恒载荷延迟断裂试验、断裂力学试验，并详细介绍了每种试验方法的评价指标。针对现有的高强度钢板定性评价方法，提出了建立不同钢种、不用强度级别高强度钢板延迟断裂敏感性的定量评价指标，以方便定量比较高强度钢板的延迟开裂敏感性。
关键词：高强度钢板 延迟断裂 评价 敏感性
1高强度钢板延迟断裂
随着汽车轻量化需求的提高，汽车中所使用的高品质材料逐渐增多，高强度钢板作为汽车高品质材料的重要组成部分，其应用比例也逐渐增多。但是随着钢板强度的提高，特别是当钢板的抗拉强度超过1000MPa后，钢板的延迟断裂敏感性变得明显。
高强钢板的延迟断裂过程主要与环境中的氢有关，称为氢致延迟断裂，它是氢致材料恶化（氢损伤或氢脆）的一种形态。这种断裂是指材料在静止应力作用下，服役一段时间后，突然脆性断裂的一种行为。这是由于材料内部的残余氢或者环境中的氢向应力集中的部位富集，而这些应力集中的部位往往缺陷较多，在这些部位，氢离子结合成氢原子，氢原子结合成氢分子，这些氢分子又结合成氢气团，这个气团将会产生巨大的压力，当这个压力与材料内部的残余应力以及构件所承受的力结合的合力超过材料的屈服极限时，将会产生材料的脆性断裂失效。高强度钢板的氢致延迟开裂断口形貌（见图1）是单一裂纹，没有明显的分叉，呈穿晶状、沿晶状或者混合型；断裂性质为脆性断裂，宏观断口是齐平的，无塑性变形；显微镜下观察呈现白点，轮廓分明，可以看到一些结晶状颗粒或者放射状花样。
图1 延迟断裂断口形貌
2高强度钢板延迟断裂试验方法
目前，一些研发机构和主机厂都开展了针对高强度钢板延迟断裂敏感性的评价方法，但是每个试验室都是按照各自约定的试验方法进行试验，各个试验结果之间的对比性不高。表1所示为目前主要的高强度钢延迟断裂试验方法汇总。
目前，高强钢的延迟断裂试验可以分成以下几类。
a. 恒应变延迟断裂试验。主要试验方法为U型弯梁延迟断裂试验、三点弯曲延迟断裂试验、冲杯延迟断裂试验。
b. SSRT（低应变速率）延迟断裂试验。主要试验方法为单轴低应变速率拉伸试验。
c. 恒载荷延迟断裂试验。主要试验方法为恒载荷拉伸延迟断裂试验和恒载荷弯曲延迟断裂试验。
d. 断裂力学试验。采用预制裂纹的方式进行延迟断裂试验。
2.1 U型弯梁延迟断裂试验
U型弯梁试验是恒应变延迟断裂试验中的一种试验方法。按照图2所示的流程进行试验：首先将高强度钢板材料切割成图2a所示的平板试样，将试样放在模具中进行成形，成形后用螺栓紧固，放置在试验溶液中进行延迟断裂试验。采用断裂试样占总试样的百分比或者试样的断裂时间，对比分析不同钢种之间的延迟断裂敏感性。
2.2 三点弯曲延迟断裂试验
恒应变延迟断裂试验中的另一种试验方法是三点弯曲试验（图3），试验过程中采用三点弯曲设备将试样弯曲成一定的角度，之后放置在溶液中进行试验，采用断裂时间进行延迟断裂敏感性的评价。
2.3 慢拉伸延迟断裂试验
在应变速率为10-7/s～10-3/s的条件下进行拉伸试验，同时将拉伸试样放置在溶液中（氢环境），可以在很短的时间下完成试验，进行延迟断裂敏感性评价。可以采用断裂应力、断面收缩率损失或者断裂时间等指标进行延迟断裂敏感性评价。该方法试验速度快，但是试验条件比实际环境更加苛刻，需要建立对比试验，以方便相互比较。
2.4 恒载荷延迟断裂试验
恒载荷延迟断裂试验是将试样在恒定载荷下进行加载的试验方法，图4所示为恒载荷拉伸延迟断裂试验，图5所示为恒载荷弯曲延迟断裂试验，该方法采用断裂时间或断裂应力评价材料的延迟断裂敏感性。
2.5 预制裂纹延迟断裂试验
预制裂纹试验采用试样预制裂纹的方法进行试验，将试样加工成带有Ⅰ型或者Ⅱ型预制裂纹后，放置在含氢介质条件下进行试验，用断裂力学理论求出临界应力场强度因子KIH或者KISCC以及裂纹的扩展速度等评价指标评价材料的延迟断裂敏感性。
2.6 冲杯延迟断裂试验
冲杯延迟断裂试验在欧洲车企和钢铁企业应用比较多。国内对这方面的研究还处于起步阶段。冲杯延迟开裂试验按照不同的成形比，在成形试验机上冲制成杯状试样，将试样放置在含氢介质条件下进行延迟断裂试验。根据产生裂纹的时间或者裂纹数量进行延迟断裂敏感性的评价。
3高强度钢板延迟断裂评价方法
高强度钢板的延迟断裂过程主要是由于钢中的氢引起的，其敏感性除了材料本身的因素外，还与环境因素和应力状态相关。目前各研发机构所使用的评价方法不统一，彼此之间的可比性不强，为了对比不同钢种、不同强度级别之间的延迟断裂敏感性，寻找像抗拉强度、FLC曲线等这种定量化的评价指标，成为目前工作研究的重点。铃木等采用Hc（临界扩散性氢量）、HE（环境吸收的氢量）之间的关系评价实际环境下螺栓钢延迟断裂敏感性；节田等采用氢渗透系数对新开发的钢种进行延迟断裂敏感性评价，并提出了临界应力与氢量的延迟断裂评价图。国内某科研机构采用恒载荷延迟断裂试验，得到类似疲劳曲线的应力-断裂时间的曲线，根据曲线的极限值或者断裂时间，评价高强钢的延迟断裂敏感性。
针对目前高强度钢板在汽车上的应用情况，希望寻找一种适当的试验方法，建立如图6所示的评价图，应用于高强度钢板的延迟断裂敏感性评价。其试验过程如下：按照预定的延迟断裂试验方法进行延迟断裂试验，当所得到的延迟断裂时间位于1、2两条曲线之间时，判定这种钢板材料抗延迟断裂性能满足使用要求，如果位于曲线1下部，则判定这种钢板材料的延迟断裂敏感性强，需要注意使用环境。
4 总结
汽车轻量化需求下，高强度钢板在汽车上的应用比例逐年提高，但是随着钢板强度级别的提高，特别是钢板的强度超过1000MPa后，钢板的延迟开裂敏感性变得明显。目前针对高强钢延迟开裂的试验方法主要为恒载荷、恒应变以及SSRT试验，评价指标为断裂时间、临界断裂应力等。为了推动高强度钢板材料在汽车上的广泛应用，寻找不同钢种、不用强度级别高强钢延迟断裂敏感性的定量评价指标将会成为目前研究的主要方向。
来源：期刊—汽车工艺与材料
作者：王学双 庄厚川 曹广祥等（中国第一汽车股份有限公司技术中心）
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1高强度钢板延迟断裂
随着汽车轻量化需求的提高，汽车中所使用的高品质材料逐渐增多，高强度钢板作为汽车高品质材料的重要组成部分，其应用比例也逐渐增多。但是随着钢板强度的提高，特别是当钢板的抗拉强度超过1000MPa后，钢板的延迟断裂敏感性变得明显。
高强钢板的延迟断裂过程主要与环境中的氢有关，称为氢致延迟断裂，它是氢致材料恶化（氢损伤或氢脆）的一种形态。这种断裂是指材料在静止应力作用下，服役一段时间后，突然脆性断裂的一种行为。这是由于材料内部的残余氢或者环境中的氢向应力集中的部位富集，而这些应力集中的部位往往缺陷较多，在这些部位，氢离子结合成氢原子，氢原子结合成氢分子，这些氢分子又结合成氢气团，这个气团将会产生巨大的压力，当这个压力与材料内部的残余应力以及构件所承受的力结合的合力超过材料的屈服极限时，将会产生材料的脆性断裂失效。高强度钢板的氢致延迟开裂断口形貌（见图1）是单一裂纹，没有明显的分叉，呈穿晶状、沿晶状或者混合型；断裂性质为脆性断裂，宏观断口是齐平的，无塑性变形；显微镜下观察呈现白点，轮廓分明，可以看到一些结晶状颗粒或者放射状花样。
图1 延迟断裂断口形貌
2高强度钢板延迟断裂试验方法
目前，一些研发机构和主机厂都开展了针对高强度钢板延迟断裂敏感性的评价方法，但是每个试验室都是按照各自约定的试验方法进行试验，各个试验结果之间的对比性不高。表1所示为目前主要的高强度钢延迟断裂试验方法汇总。
目前，高强钢的延迟断裂试验可以分成以下几类。
a. 恒应变延迟断裂试验。主要试验方法为U型弯梁延迟断裂试验、三点弯曲延迟断裂试验、冲杯延迟断裂试验。
b. SSRT（低应变速率）延迟断裂试验。主要试验方法为单轴低应变速率拉伸试验。
c. 恒载荷延迟断裂试验。主要试验方法为恒载荷拉伸延迟断裂试验和恒载荷弯曲延迟断裂试验。
d. 断裂力学试验。采用预制裂纹的方式进行延迟断裂试验。
2.1 U型弯梁延迟断裂试验
U型弯梁试验是恒应变延迟断裂试验中的一种试验方法。按照图2所示的流程进行试验：首先将高强度钢板材料切割成图2a所示的平板试样，将试样放在模具中进行成形，成形后用螺栓紧固，放置在试验溶液中进行延迟断裂试验。采用断裂试样占总试样的百分比或者试样的断裂时间，对比分析不同钢种之间的延迟断裂敏感性。
2.2 三点弯曲延迟断裂试验
恒应变延迟断裂试验中的另一种试验方法是三点弯曲试验（图3），试验过程中采用三点弯曲设备将试样弯曲成一定的角度，之后放置在溶液中进行试验，采用断裂时间进行延迟断裂敏感性的评价。
2.3 慢拉伸延迟断裂试验
在应变速率为10-7/s～10-3/s的条件下进行拉伸试验，同时将拉伸试样放置在溶液中（氢环境），可以在很短的时间下完成试验，进行延迟断裂敏感性评价。可以采用断裂应力、断面收缩率损失或者断裂时间等指标进行延迟断裂敏感性评价。该方法试验速度快，但是试验条件比实际环境更加苛刻，需要建立对比试验，以方便相互比较。
2.4 恒载荷延迟断裂试验
恒载荷延迟断裂试验是将试样在恒定载荷下进行加载的试验方法，图4所示为恒载荷拉伸延迟断裂试验，图5所示为恒载荷弯曲延迟断裂试验，该方法采用断裂时间或断裂应力评价材料的延迟断裂敏感性。
2.5 预制裂纹延迟断裂试验
预制裂纹试验采用试样预制裂纹的方法进行试验，将试样加工成带有Ⅰ型或者Ⅱ型预制裂纹后，放置在含氢介质条件下进行试验，用断裂力学理论求出临界应力场强度因子KIH或者KISCC以及裂纹的扩展速度等评价指标评价材料的延迟断裂敏感性。
2.6 冲杯延迟断裂试验
冲杯延迟断裂试验在欧洲车企和钢铁企业应用比较多。国内对这方面的研究还处于起步阶段。冲杯延迟开裂试验按照不同的成形比，在成形试验机上冲制成杯状试样，将试样放置在含氢介质条件下进行延迟断裂试验。根据产生裂纹的时间或者裂纹数量进行延迟断裂敏感性的评价。
3高强度钢板延迟断裂评价方法
高强度钢板的延迟断裂过程主要是由于钢中的氢引起的，其敏感性除了材料本身的因素外，还与环境因素和应力状态相关。目前各研发机构所使用的评价方法不统一，彼此之间的可比性不强，为了对比不同钢种、不同强度级别之间的延迟断裂敏感性，寻找像抗拉强度、FLC曲线等这种定量化的评价指标，成为目前工作研究的重点。铃木等采用Hc（临界扩散性氢量）、HE（环境吸收的氢量）之间的关系评价实际环境下螺栓钢延迟断裂敏感性；节田等采用氢渗透系数对新开发的钢种进行延迟断裂敏感性评价，并提出了临界应力与氢量的延迟断裂评价图。国内某科研机构采用恒载荷延迟断裂试验，得到类似疲劳曲线的应力-断裂时间的曲线，根据曲线的极限值或者断裂时间，评价高强钢的延迟断裂敏感性。
针对目前高强度钢板在汽车上的应用情况，希望寻找一种适当的试验方法，建立如图6所示的评价图，应用于高强度钢板的延迟断裂敏感性评价。其试验过程如下：按照预定的延迟断裂试验方法进行延迟断裂试验，当所得到的延迟断裂时间位于1、2两条曲线之间时，判定这种钢板材料抗延迟断裂性能满足使用要求，如果位于曲线1下部，则判定这种钢板材料的延迟断裂敏感性强，需要注意使用环境。
4 总结
汽车轻量化需求下，高强度钢板在汽车上的应用比例逐年提高，但是随着钢板强度级别的提高，特别是钢板的强度超过1000MPa后，钢板的延迟开裂敏感性变得明显。目前针对高强钢延迟开裂的试验方法主要为恒载荷、恒应变以及SSRT试验，评价指标为断裂时间、临界断裂应力等。为了推动高强度钢板材料在汽车上的广泛应用，寻找不同钢种、不用强度级别高强钢延迟断裂敏感性的定量评价指标将会成为目前研究的主要方向。
来源：期刊—汽车工艺与材料
作者：王学双 庄厚川 曹广祥等（中国第一汽车股份有限公司技术中心）
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