冷拔残余应力应变对钢丝氢扩散过程的分析

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冷拔珠光体高强度钢丝或钢绞线广泛应用于预应力混凝土、桥梁斜拉索及悬索等结构中。鉴于各类结构的重要性，人们长期以来一直致力于钢丝结构安全和寿命预测的研究。氢脆或氢致断裂是冷拔钢丝重要的失效形式之一，各类钢丝常常因长期处于如潮湿水汽等含氢的腐蚀性环境中，氢透过钢丝表面进入其内部，导致钢丝力学性能恶化诱发氢脆。研究表明钢丝的氢脆敏感性受其所含氢浓度大小的影响，当钢中局部区域聚集的氢浓度达到某一临界值时，便可导致钢丝的低应力脆断。因此，了解氢在钢中的扩散及浓度分布规律对研究钢丝的氢致断裂及寿命预测具有重要意义。钢丝氢脆由氢的扩散过程控制，外力产生的静水应力是氢扩散的主要驱动力，然而在冷拔过程中，钢丝中将产生大量的残余应力。相关研究表明，不均匀残余应力将加剧氢在钢中的扩散和聚集，使钢丝局部区域聚集过量的氢，导致氢脆的发生。虽然稳定化处理可以使钢丝中产生的残余应力明显减小，但较大的拉伸残余应力仍然会存在于钢丝的外边缘上，在钢丝后续服役期中将继续威胁着钢丝的安全。因此，研究冷拔机冷拔残余应力对钢丝氢扩散的影响显得非常重要。 另一方面，冷拔加工属于大变形压力加工，不仅产生残余应力，还伴随着大量的塑性变形。强烈的塑性应变将导致高的位错密度，材料中的这些位错作为陷阱，可以捕获氢，从而对氢在钢中的溶解和扩散性能具有一定的影响。普遍认为塑性变形会导致氢在金属中的扩散系数减小，溶解度增大。而目前大量的研究工作仅仅只聚焦在考虑残余应力对氢扩散的影响上，而考虑残余塑性应变对氢扩散影响的报道却相对较少。 1.有限元分析思路 利用ABAQUS有限元软件，开发钢丝拉拔过程模拟计算程序。钢丝外表面与模孔之间采用接触边界条件，在钢丝的拉出端设定轴向拉拔速度(设为0.02m/s)，钢丝一边被模孔挤压变形而截面减小，一边沿着模孔轴向被拉出。钢丝与模孔之间存在摩擦力作用，在工程实际中其摩擦系数一般在0.01—0.2之间，Atienza等的数值模拟结果表明摩擦系数设定在此范围内对残余应力应变场的影响不大。 2.冷拔残余应力应变有限元计算结果 钢丝在拉拔过程中将被引入残余应力。钢丝中的残余应力是一个三维场，在钢丝内部表现为压应力，在外部表现为拉应力。其中，轴向残余应力幅值最为显著，对钢丝断裂性能的影响最大。轴向最大拉残余应力达609MPa，最大压残余应力达-1345MPa。钢丝塑性应变相当大，在0.36—0.42之间。强烈的塑性变形必然导致材料内部微观结构变化，增加氢陷阱密度，从而改变氢在材料内部的扩散性能。 在钢丝拉拔过程中，钢丝不仅承受模孔的摩擦与挤压作用，还承受轴向拉拔力的作用，钢丝中的应力水平很高，钢丝表面的轴向应力达1130MPa。而在实际生产中，由于酸洗等加工过程往往使钢丝表面及内部渗入一定的氢，钢丝拉拔过程中产生的高应力，必然促进氢在局部区域富集，从而导致钢丝在拉出模孔一定距离后发生断裂。因此，可以从应力促进氢富集的角度解释钢丝在拉拔过程中发生氢致滞后断裂的原因。 3.残余塑性应变对服役钢丝氢扩散过程的影响 残余应力应变的存在加剧氢在材料内部的扩散，使材料内部聚集过饱和氢，相应地，氢浓度明显大于Fick扩散所得的氢浓度。在钢丝同一径向位置处，同时考虑残余应力和塑性应变影响所得的氢浓度比只考虑应力影响扩散所得氢浓度大得多，可见塑性应变对氢扩散的促进作用相当显著。 同时影响所得的氢浓度小于仅应力影响时的氢浓度，而随着时间的增加，应变促进氢富集的作用才表现出来。这是因为塑性应变对氢扩散的影响具有两个方面的作用，一方面塑性应变引入大量错位，位错作为氢的陷阱，使扩散系数下降，从而减缓氢的扩散和聚集速度，在短时间内应变的影响表现为抑制氢聚集。 另一方面，由于塑性应变增加氢在材料内的溶解度，随着时间的延长，应变使溶解度增加的影响逐渐表现出来，最终应力应变同时影响的氢富集浓度大于只考虑残余应力诱导作用所得的氢富集浓度。另外，应变的影响作用使氢扩散达到稳态的时间明显延长。(图/文www.wxlgjx.cn)

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