一种模拟氢对拉伸疲劳影响的新方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：A new approach for modeling the effects of hydrogen on tensile fatigue

　　拉马克里希南·贾亚塞卡兰|法尔希德·萨德吉|罗杰·戴尔·英格兰|任宁 美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学机械工程学院，邮编47907 摘要 本研究提出了一种预测氢脆化AISI 52100钢疲劳寿命的新方法。通过对未受氢脆影响的试样和完全氢脆化的试样进行完全反向拉伸疲劳试验，研究了其应力寿命行为（S–N关系）。通过电化学充氢方式在钢试样中引入氢气，再利用氢分析仪测定不同预充时间下材料中的氢含量。研究提出了一个描述AISI 52100钢中氢扩散随预充时间变化的模型，并开发了一种新的连续损伤力学有限元模型来计算未受氢脆和氢脆试样的疲劳寿命。该新模型引入了一种包含总氢浓度的修正损伤演化定律，其中参考氢浓度C0来自在未受氢脆试样的耐久极限应力下进行的单次全氢充氢疲劳试验。研究还运用Voronoi剖分方法来表征材料微观结构的差异性，从而解释疲劳寿命的波动。新模型所得结果与实验数据高度吻合，同时该模型经其他文献中的实验数据验证也表现出良好一致性。引言 氢脆是指材料在接触氢气后性能下降的现象。由于氢气的影响导致材料性能劣化，一直是阻碍氢能作为替代能源广泛应用以及实现氢能经济的重要因素。当高强度钢处于含氢环境中时，扩散的氢气会降低材料的延展性、减弱其抗疲劳能力、促进裂纹过早萌生，进而显著缩短疲劳寿命，导致材料过早失效[1]。对于那些承受循环载荷的氢基基础设施部件而言，这些效应尤为重要。随着氢技术在能源[[2], [3], [4], [5]]、交通运输[6,7]及其他领域的不断发展，迫切需要能够准确预测受氢影响而产生的疲劳寿命退化的可靠方法。疲劳失效是机械部件中最常见的失效模式之一[8]，因此深入理解氢气对材料疲劳的影响对于设计出能够避免早期失效的耐用系统至关重要。许多实验研究都探讨了氢气对各类钢材，包括不锈钢、管道钢和轴承钢的材料性能及疲劳寿命的负面影响[4,[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]。例如，村上等人研究了氢气对多种钢材疲劳行为的影响，这些钢材包括奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体钢以及中碳钢[4,9,11]，他们通过电化学充氢和化学浸泡两种方法将氢气引入样品，实验表明氢气会降低SUS304、SUS316、0.7C–13Cr和SCM435钢材的疲劳裂纹扩展阻力，而SUS316L、SUS405以及某种中碳钢则几乎不受影响。扎弗拉等人[18]在氢气环境以及气体氢预充后的空气中对42CrMo4钢进行了疲劳裂纹扩展试验，发现氢气环境下的裂纹扩展速率大约比空气环境高一个数量级。贾亚塞卡兰等人[15]则通过实验研究了氢脆对AISI 52100钢拉伸疲劳性能的影响。AISI 52100钢是一种高碳铬合金马氏体钢，因其高强度和出色的耐磨性而被广泛用于滚动轴承领域[16]，研究通过电化学充氢的方式引入氢气，並用热萃取氢分析仪检测总氢含量。实验结果表明，经过64小时充氢后氢浓度达到饱和状态，而在充氢条件下测试的完全充氢试样的疲劳寿命相比未充氢试样可缩短多达四个数量级。先前的研究强调了实验在研究氢气导致的疲劳寿命退化中的作用，但由于需要在不同氢浓度和应力幅值下进行大量疲劳试验，成本高昂且耗时较长，因此研究人员逐渐转向数值模拟等替代方法，以便更快地预测各种材料在氢环境下的疲劳寿命。在现有的各类数值模型中，黏结区模型[[20], [21], [22], [23], [24]]、相场模型[25,26]以及晶体塑性方法[[27], [28], [29], [30]]都被用作评估氢脆条件下材料疲劳行为的计算工具。德尔布斯特等人[20]和莫里科尼等人[22]采用黏结区模型，借助氢增强脱黏机制来模拟氢气作用下钢材的疲劳裂纹扩展过程。塞雷布林斯基等人[31]则通过基于氢覆盖度的牵引-分离定律来研究氢气引起的材料退化现象。戈拉赫马尔等人[25]开发了一种多物理场相场模型，将氢气扩散、材料变形和断裂过程相结合，裂纹扩展则采用与黏结区模型类似的能量准则进行建模，其模型结果与实验数据吻合良好。崔等人[26]也提出了类似的相场模型，该模型通过拟合不同氢压力下的断裂韧性数据构建出一种经验性的氢降解函数，该模型能够根据断裂试验数据预测氢气辅助下的疲劳裂纹扩展情况，且与实验结果吻合度较高。疲劳失效通常分为三个阶段：(i)裂纹萌生，(ii)裂纹扩展，(iii)最终失效[32,33]，每个阶段所占据的疲劳寿命比例取决于材料类型、加载条件以及环境因素。在高频疲劳作用下，裂纹萌生阶段往往占据相当大的疲劳寿命比例[33,34]。虽然人们普遍认为氢气会显著加速许多材料的疲劳裂纹扩展速度，但最近针对GCr15等轴承钢的实验研究表明，氢气还会对材料的总疲劳寿命、裂纹萌生阻力以及整体的应力寿命（S–N）行为产生重要影响。对于像AISI 52100轴承钢（相当于GCr15）这类高强度脆性钢材，在轴向加载条件下，裂纹扩展阶段所占据的疲劳寿命比例相对较小，因此通常将裂纹萌生阶段的寿命视为材料的总疲劳寿命。以往的数值研究[35]大多集中在研究氢气环境下的疲劳裂纹扩展行为，而对轴向加载条件下高频疲劳中的裂纹萌生寿命及S–N行为的研究相对较少。此外，那些将氢气传输、材料变形和断裂过程相结合的多物理场模型往往结构复杂，需要大量参数拟合，且计算量巨大，因此对数百万次疲劳循环的模拟工作十分困难。相比之下，连续损伤力学为模拟疲劳引发的性能退化提供了一种简单的现象学框架，它通过将损伤积累与局部应力/应变值联系起来来实现这一目标[36]。近年来，包括萨德吉在内的许多研究人员广泛采用了基于连续损伤力学的有限元模型，并结合Voronoi剖分方法，用于定量预测在轴向[15,32,33,37,38]、扭转[[39], [40], [41], [42]]以及滚动接触疲劳[RCF] [[43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51]]载荷作用下的疲劳寿命，同时还能考虑由微观结构差异带来的疲劳寿命波动。这类模型以物理原理为基础，仅需少量材料参数，且在不同类型的材料上与实验测得的疲劳寿命数据均能保持良好一致性，充分体现了连续损伤力学作为预测工具的有效性。因此，若能在基于连续损伤力学的框架中加入氢气的影响因素，将为预测不同氢浓度环境下材料的疲劳寿命提供一种高效的方法。本研究提出了一种新方法，用于模拟氢脆对AISI 52100轴承钢拉伸疲劳寿命的影响。研究通过对未充氢和完全充氢的试样进行完全反向拉伸疲劳试验，建立了它们的S–N响应关系。此外，研究还通过引入一种新的修正损伤演化定律来构建连续损伤力学有限元模型，该定律明确考虑了总氢浓度以及从在耐久极限应力下进行的全充氢疲劳试验中获得的参考浓度C0。新模型得出的结果与氢气作用导致的实验疲劳寿命退化现象高度一致。实验方法部分 本节简要介绍了用于获取AISI 52100钢S–N曲线的试样、试验装置以及试验方法，详细的实验方法描述可见贾亚塞卡兰等人的研究[15]。建模方法部分 本节阐述了为模拟氢脆对AISI 52100钢拉伸疲劳寿命影响而开发的新分析方法。所开发的CDM-FE模型能够综合考虑不同氢脆条件下的氢气影响，如需了解该模型的详细内容，可参考文献[15,32,33,37,38,43,52]。结果与讨论部分 接下来几节将首先介绍有关氢气扩散特性的实验结果，随后分析氢脆对AISI 52100钢疲劳寿命的影响。结论 本研究提出了一种预测氢气环境下AISI 52100钢拉伸疲劳寿命的新方法。研究通过对未充氢以及经过电化学充氢处理且已达到氢饱和状态的试样进行完全反向拉伸疲劳试验，分析了氢气对材料疲劳行为的影响。同时，研究还利用氢分析仪测量了不同预充时间下材料中的总氢浓度，从而建立了AISI 52100钢的氢扩散模型。此外，还提出了一种新的损伤演化模型。作者贡献声明 拉马克里希南·贾亚塞卡兰：概念构建、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、软件应用、模型验证、结果可视化、初稿撰写、论文修订。法尔希德·萨德吉：概念构建、资金筹集、方法设计、项目管理、资源协调、研究指导、论文修订。罗杰·戴尔·英格兰：资源提供、研究指导。任宁：资源提供、研究指导。利益冲突声明 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢 作者衷心感谢瓦尔沃琳公司对本项目所提供的支持。