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| 冷拔殘余應力應變對鋼絲氫擴散過程的分析 | | 發布者：admin 點擊：3824 | 冷拔珠光體高強度鋼絲或鋼絞線廣泛應用于預應力混凝土、橋梁斜拉索及懸索等結構中。鑒于各類結構的重要性，人們長期以來一直致力于鋼絲結構安全和壽命預測的研究。氫脆或氫致斷裂是冷拔鋼絲重要的失效形式之一，各類鋼絲常常因長期處于如潮濕水汽等含氫的腐蝕性環境中，氫透過鋼絲表面進入其內部，導致鋼絲力學性能惡化誘發氫脆。研究表明鋼絲的氫脆敏感性受其所含氫濃度大小的影響，當鋼中局部區域聚集的氫濃度達到某一臨界值時，便可導致鋼絲的低應力脆斷。因此，了解氫在鋼中的擴散及濃度分布規律對研究鋼絲的氫致斷裂及壽命預測具有重要意義。鋼絲氫脆由氫的擴散過程控制，外力產生的靜水應力是氫擴散的主要驅動力，然而在冷拔過程中，鋼絲中將產生大量的殘余應力。相關研究表明，不均勻殘余應力將加劇氫在鋼中的擴散和聚集，使鋼絲局部區域聚集過量的氫，導致氫脆的發生。雖然穩定化處理可以使鋼絲中產生的殘余應力明顯減小，但較大的拉伸殘余應力仍然會存在于鋼絲的外邊緣上，在鋼絲后續服役期中將繼續威脅著鋼絲的安全。因此，研究冷拔機冷拔殘余應力對鋼絲氫擴散的影響顯得非常重要。
另一方面，冷拔加工屬于大變形壓力加工，不僅產生殘余應力，還伴隨著大量的塑性變形。強烈的塑性應變將導致高的位錯密度，材料中的這些位錯作為陷阱，可以捕獲氫，從而對氫在鋼中的溶解和擴散性能具有一定的影響。普遍認為塑性變形會導致氫在金屬中的擴散系數減小，溶解度增大。而目前大量的研究工作僅僅只聚焦在考慮殘余應力對氫擴散的影響上，而考慮殘余塑性應變對氫擴散影響的報道卻相對較少。
1.有限元分析思路
利用ABAQUS有限元軟件，開發鋼絲拉拔過程模擬計算程序。鋼絲外表面與模孔之間采用接觸邊界條件，在鋼絲的拉出端設定軸向拉拔速度(設為0.02m/s)，鋼絲一邊被模孔擠壓變形而截面減小，一邊沿著模孔軸向被拉出。鋼絲與模孔之間存在摩擦力作用，在工程實際中其摩擦系數一般在0.01—0.2之間，Atienza等的數值模擬結果表明摩擦系數設定在此范圍內對殘余應力應變場的影響不大。
2.冷拔殘余應力應變有限元計算結果
鋼絲在拉拔過程中將被引入殘余應力。鋼絲中的殘余應力是一個三維場，在鋼絲內部表現為壓應力，在外部表現為拉應力。其中，軸向殘余應力幅值為顯著，對鋼絲斷裂性能的影響。軸向拉殘余應力達609MPa，壓殘余應力達-1345MPa。鋼絲塑性應變相當大，在0.36—0.42之間。強烈的塑性變形必然導致材料內部微觀結構變化，增加氫陷阱密度，從而改變氫在材料內部的擴散性能。
在鋼絲拉拔過程中，鋼絲不僅承受模孔的摩擦與擠壓作用，還承受軸向拉拔力的作用，鋼絲中的應力水平很高，鋼絲表面的軸向應力達1130MPa。而在實際生產中，由于酸洗等加工過程往往使鋼絲表面及內部滲入一定的氫，鋼絲拉拔過程中產生的高應力，必然促進氫在局部區域富集，從而導致鋼絲在拉出模孔一定距離后發生斷裂。因此，可以從應力促進氫富集的角度解釋鋼絲在拉拔過程中發生氫致滯后斷裂的原因。
3.殘余塑性應變對服役鋼絲氫擴散過程的影響
殘余應力應變的存在加劇氫在材料內部的擴散，使材料內部聚集過飽和氫，相應地，氫濃度明顯大于Fick擴散所得的氫濃度。在鋼絲同一徑向位置處，同時考慮殘余應力和塑性應變影響所得的氫濃度比只考慮應力影響擴散所得氫濃度大得多，可見塑性應變對氫擴散的促進作用相當顯著。
同時影響所得的氫濃度小于僅應力影響時的氫濃度，而隨著時間的增加，應變促進氫富集的作用才表現出來。這是因為塑性應變對氫擴散的影響具有兩個方面的作用，一方面塑性應變引入大量錯位，位錯作為氫的陷阱，使擴散系數下降，從而減緩氫的擴散和聚集速度，在短時間內應變的影響表現為抑制氫聚集。
另一方面，由于塑性應變增加氫在材料內的溶解度，隨著時間的延長，應變使溶解度增加的影響逐漸表現出來，終應力應變同時影響的氫富集濃度大于只考慮殘余應力誘導作用所得的氫富集濃度。另外，應變的影響作用使氫擴散達到穩態的時間明顯延長。(圖/文www.guanggaodai.com) | 上一頁：基于有限元仿真的銅材拉拔道次比較
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