專利名稱：鋼制部件的形狀、工作應(yīng)力和使用環(huán)境的設(shè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于預(yù)防鋼制部件延遲斷裂的方法，特別是關(guān)于旨在預(yù)防延遲斷裂的鋼制部件的形狀、工作應(yīng)力和使用環(huán)境的設(shè)定方法。更具體地說，本發(fā)明是關(guān)于在使用抗拉強(qiáng)度超過1000MPa的高強(qiáng)度鋼的鋼制部件中，為了預(yù)防延遲斷裂而設(shè)定鋼制部件的形狀、工作應(yīng)力和使用環(huán)境的方法。
在鋼制部件所受到的載荷應(yīng)力相同的情況下，由于鋼制部件的形狀而產(chǎn)生的應(yīng)力集中不同，有時發(fā)生延遲斷裂，有時不發(fā)生延遲斷裂。因此，以往，對于有可能發(fā)生延遲斷裂的鋼制部件，在進(jìn)行形狀設(shè)計時一般避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。但是，實(shí)際上盡管對鋼制部件的形狀設(shè)計下了許多功夫，仍然不能確保防止延遲斷裂發(fā)生。因此，例如象螺栓一類形狀復(fù)雜的鋼制部件，在設(shè)計時往往采用非常大的安全系數(shù)。
作為另一種防止延遲斷裂的方法，有人探討了增大臨界擴(kuò)散性氫量(HC)、即鋼制部件不發(fā)生斷裂的最大擴(kuò)散氫量的方案。但是，這種方法也未能成功地確保防止延遲斷裂。
本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。本發(fā)明的課題如下。準(zhǔn)確地預(yù)測鋼制部件是否發(fā)生延遲斷裂；通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定鋼制部件的形狀、工作應(yīng)力和使用環(huán)境，確保防止發(fā)生延遲斷裂；即使是形狀復(fù)雜的鋼制部件，也可以采用恰當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)進(jìn)行設(shè)計。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，Weibull應(yīng)力是采用有限元法、使用電子運(yùn)算裝置按下列公式1計算出來的。
公式1σw=[1Vo∫Vf(σeff)mdVf]1m]]>另外，本發(fā)明是鋼制部件的使用環(huán)境的設(shè)定方法，其特征在于，求出臨界擴(kuò)散性氫量(HC)與Weibull應(yīng)力(σWA)的關(guān)系，另外，根據(jù)實(shí)際使用的鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力求出實(shí)際使用的鋼制部件的Weibull應(yīng)力(σWB)，再求出與該Weibull應(yīng)力(σWB)相等的Weibull應(yīng)力(σWA)的臨界擴(kuò)散性氫量(HC)，設(shè)定鋼制部件的使用環(huán)境，使鋼制部件使用過程中侵入鋼中的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)低于上述HC。
優(yōu)選的是，上述Weibull應(yīng)力(σWA)和Weibull應(yīng)力(σWB)是采用有限元法、使用電子運(yùn)算裝置按上述公式1計算出來的。
此外，本發(fā)明是鋼制部件的延遲斷裂的判定方法，其特征在于，求出臨界擴(kuò)散性氫量(HC)與Weibull應(yīng)力(σWA)的關(guān)系，另外，求出鋼制部件使用過程中侵入鋼中的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)，接著，求出與上述侵入擴(kuò)散性氫量(HE)相等的上述臨界擴(kuò)散性氫量(HC)的Weibull應(yīng)力(σWA)，將該Weibull應(yīng)力(σWA)與根據(jù)使用中的鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力算出的Weibull應(yīng)力(σWB)進(jìn)行比較，當(dāng)前者大于后者時，判定該鋼制部件不會發(fā)生延遲斷裂。
本發(fā)明是基于本發(fā)明人所獲得的下列二個見解而完成的。
(1)延遲斷裂的發(fā)生可以通過Weibull應(yīng)力σW和臨界擴(kuò)散性氫量(HC)準(zhǔn)確地預(yù)測。即，不需要考慮鋼制部件形狀和工作應(yīng)力條件的影響，就可以預(yù)測延遲斷裂的發(fā)生。
(2)就不發(fā)生延遲斷裂的條件而言，與鋼制部件使用過程中侵入鋼中的擴(kuò)散性氫量(HE)相比，上述臨界擴(kuò)散性氫量(HC)的作用更大。
圖2是說明有可能發(fā)生斷裂的區(qū)域Vf的圖。
圖3是表示距缺口的低部的距離與最大主應(yīng)力的關(guān)系的圖。
圖4表示W(wǎng)eibull應(yīng)力(σW)的計算結(jié)果與臨界擴(kuò)散性氫量(HC)測定結(jié)果的關(guān)系。
圖5表示平均載荷應(yīng)力(σave)的計算結(jié)果與臨界擴(kuò)散性氫量(HC)測定結(jié)果的關(guān)系。
圖6表示W(wǎng)eibull應(yīng)力(σW)對于延遲斷裂發(fā)生率的影響。
圖7表示平均載荷應(yīng)力(σave)對于延遲斷裂發(fā)生率的影響。
所述的臨界擴(kuò)散性氫量(HC)，是指在某一載荷條件下試片不斷裂的場合鋼中所含有的最大的擴(kuò)散性氫量。臨界擴(kuò)散性氫量(HC)例如可以采用下述方法通過試驗(yàn)測定。即，在電解液中，以鋼試片作為陰極施加電壓時，使氫進(jìn)入鋼中。為了使氫均勻擴(kuò)散到試片中，必要時可以在試片表面上鍍Cd，然后在室溫下保持或者加熱。對該試片施加一定的載荷，測定100小時后未斷裂的試片的最大擴(kuò)散性氫量。擴(kuò)散性氫量按下面所述的方法測定。以每1小時50℃以上、800℃以下的一定梯度將試片加熱至350℃，測定這期間釋放出的氫量。釋放出的氫量例如可以使用4極質(zhì)譜儀或氣相色譜定量測定。
所述的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)，是指在實(shí)際使用環(huán)境中侵入鋼中的最大的氫量。HE是根據(jù)實(shí)際的鋼制部件使用環(huán)境通過經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)求出。通過實(shí)驗(yàn)求出時，將試片設(shè)置在盡可能忠實(shí)再現(xiàn)使用環(huán)境的試驗(yàn)機(jī)中，進(jìn)行曝露實(shí)驗(yàn)。氫量的測定方法與上述HC的氫量的測定方法相同。
所述的Weibull應(yīng)力(σW)是通過數(shù)學(xué)處理計算出的應(yīng)力。可以根據(jù)鋼制部件的形狀的工作應(yīng)力計算出來。計算方法有幾種。本發(fā)明中是采用有限元法按公式1計算求出。
公式1σw=[1Vo∫Vf(σeff)mdVf]1m]]>式中，σeff表示最大主應(yīng)力，是支配斷裂的力。
Vo表示有可能發(fā)生斷裂的區(qū)域的基本體積。Vo可以是任意的常數(shù)，無論取何值，對于Weibull應(yīng)力的相對的比較都沒有影響。Vo例如可以設(shè)定為1mm3。
Vf表示有可能發(fā)生斷裂的區(qū)域。例如，如圖2中所示，相對于應(yīng)力(σ)是由斜線表示的區(qū)域。
m是被稱為Weibull形狀參數(shù)的常數(shù)。一般是10-30。如果按以上所述設(shè)定計算條件，就可以采用有限元法、用電子計算機(jī)計算Weibull應(yīng)力。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明的代表例。

圖1是表示本發(fā)明的操作程序的圖示。首先，用簡單形狀的試片測定臨界擴(kuò)散性氫量(HC)，計算出Weibull應(yīng)力，求出兩者的關(guān)系，制成臨界擴(kuò)散性氫量(HC)-Weibull應(yīng)力(σW)曲線。圖4是該曲線的代表例。另外，通過實(shí)驗(yàn)測定或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值預(yù)測鋼制部件使用過程中侵入鋼中的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)。然后，根據(jù)該曲線求出與侵入擴(kuò)散性氫量(HE)相等的臨界擴(kuò)散性氫量(HC)的Weibull應(yīng)力(σWA)。設(shè)計實(shí)際使用的鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力條件，使Weibull應(yīng)力(σWB)小于上述求出的Weibull應(yīng)力(σWA)。即，實(shí)際使用的鋼制部件的形狀的應(yīng)力條件設(shè)定為σWA＞σWB。只要σWA＞σWB，該鋼制部件就不會發(fā)生延遲斷裂。如果σWA≤σWB，該鋼制部件就有可能發(fā)生延遲斷裂。在這種情況下，修正實(shí)際使用的鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力條件，重新算出Weibull應(yīng)力(σWB)。反復(fù)進(jìn)行上述修正，直至σWA＞σWB。這樣，就可以最適當(dāng)?shù)卦O(shè)計實(shí)際使用的鋼制部件的形狀的工作應(yīng)力條件。
本發(fā)明是按下述原則來設(shè)定鋼制部件的使用環(huán)境條件，即，使鋼制部件使用過程中侵入鋼中的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)小于根據(jù)實(shí)際使用的鋼制部件形狀和工作應(yīng)力計算出的Weibull應(yīng)力(σWB)的臨界擴(kuò)散性氫量(HC)。也就是說，按照HC＞HE來設(shè)定實(shí)際的鋼制部件的使用環(huán)境條件。所謂使用環(huán)境條件，是指例如使用鋼制部件的場所的溫度、濕度、氣氛氣體成分、大氣中的懸浮鹽分等。具體地說，是指在海岸地帶、汽車的發(fā)動機(jī)室或高速公路的隧道內(nèi)等使用鋼制部件的環(huán)境。
本發(fā)明的鋼制部件的延遲斷裂的判定方法是，求出臨界擴(kuò)散性氫量(HC)與Weibull應(yīng)力(σWA)的關(guān)系，另外，求出鋼制部件使用過程中侵入鋼中的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)，接著，求出與上述侵入擴(kuò)散性氫量(HE)相等的上述臨界擴(kuò)散性氫量(HC)的Weibull應(yīng)力(σWA)，將該Weibull應(yīng)力(σWA)與根據(jù)使用中的鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力算出的Weibull應(yīng)力(σWB)進(jìn)行比較，當(dāng)前者大于后者時，判定該鋼制部件不會發(fā)生延遲斷裂。采用本發(fā)明，可以準(zhǔn)確地判定鋼制部件是否延遲斷裂。
采用本發(fā)明，即使實(shí)際使用的鋼制部件的形狀十分復(fù)雜，也可以采用恰當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)進(jìn)行設(shè)計。因而，迄今為止難以實(shí)用的、抗拉強(qiáng)度高于1000MPa的高強(qiáng)度鋼變得容易實(shí)用化。進(jìn)而可以減輕各種裝置、機(jī)械的重量，提高全社會的能量使用效率。
另外，本發(fā)明與鋼制部件的組成無關(guān)，可以適用于所有成分系的鋼材，特別是適合于以往很少實(shí)際使用的、抗拉強(qiáng)度超過1000MPa的高強(qiáng)度鋼。
實(shí)施例表1中示出延遲斷裂試驗(yàn)的實(shí)施條件。表1中的符號說明如下。Kt是應(yīng)力集中系數(shù)。Kt是由試片的缺口形狀決定的常數(shù)。例如，沒有缺口的試片，Kt是1.0。σW是計算得到的Weibull應(yīng)力。σmax是最大載荷應(yīng)力。σave是平均載荷應(yīng)力。HC是測定的臨界擴(kuò)散性氫量。使用的鋼材的抗拉強(qiáng)度大約是1400MPa。其化學(xué)成分(質(zhì)量％)是C0.40％、Si0.24％、Mn0.8％、P0.02％、S0.007％、Cr.1.0％、Mo0.16％，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)。試片的形狀是直徑10mm的圓棒，其中間部位具有環(huán)狀的切口。測定各種不同條件下的臨界擴(kuò)散性氫量(HC)。用市售的數(shù)學(xué)分析用軟件、采用有限元法(陰解法)計算出各條件下的Weibull應(yīng)力(σW)。上述Weibull應(yīng)力(σW)的計算條件是，V0＝1mm3，m＝20。設(shè)定m＝20是因?yàn)?，只有在這種情況下，σW和HC才具有單一確定的關(guān)系，不受Kt的影響。圖3中示出用于計算的最大主應(yīng)力σeff的代表例。圖3表示距試片的缺口底部的距離與最大主應(yīng)力σeff的關(guān)系。該例是表1中Kt＝4.9、載荷應(yīng)力/缺口拉伸強(qiáng)度＝0.47的例子。由圖3可以看出，最大主應(yīng)力σeff在拉伸方向上是變化的。在缺口底部附近達(dá)到最大值2544MPa，隨著到缺口底部的距離增大而急驟降低。在距缺口底部較遠(yuǎn)的地方達(dá)到587MPa的恒定值。在缺口底部沒有達(dá)到最大值是因?yàn)樵谠摾胁糠植牧锨l(fā)生塑性變形的緣故。圖2中示意地表示在Weibull應(yīng)力(σW)的計算中所使用的區(qū)域Vf。 Vf是有可能發(fā)生斷裂的區(qū)域。
圖4中示出Weibull應(yīng)力(σW)的計算結(jié)果與臨界擴(kuò)散性氫量(HC)的測定結(jié)果的關(guān)系。由圖4可以看出，σW與HC具有一定的關(guān)系，不受Kt的影響。這一見解對于預(yù)測延遲斷裂的發(fā)生具有極其重要的意義。鋼材中的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)可以根據(jù)使用環(huán)境通過經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測。鋼材中的HE是0.05-0.09ppm。由圖4可以看出，HC達(dá)到0.09ppm時的σW是2300MPa。因此在σW小于2300MPa的條件下，可以預(yù)測該鋼制部件的延遲斷裂發(fā)生率是0。
圖5中示出平均載荷應(yīng)力(σave)的計算結(jié)果與臨界擴(kuò)散性氫量(HC)的測定結(jié)果的關(guān)系。由圖5可以看出，σave與HC的關(guān)系是不確定的，受Kt的影響很大。該鋼材的HE是0.05-0.09ppm。但是，根據(jù)圖5，無論在什么樣的平均載荷應(yīng)力(σave)條件下，該鋼制部件的延遲斷裂發(fā)生率都是0，或不能準(zhǔn)確地預(yù)測其延遲斷裂的發(fā)生。這是因?yàn)?，如果?yīng)力集中系數(shù)Kt不同，滿足HC＞HE的σave就會不同。
由圖4可以看出，在σW低于2300Mpa的條件下，該鋼制部件的延遲斷裂發(fā)生率預(yù)測結(jié)果為0。為了確認(rèn)該預(yù)測結(jié)果是否正確，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在與進(jìn)行延遲斷裂實(shí)驗(yàn)相同的應(yīng)力條件下進(jìn)行曝露實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法是，對試片施加一定的載荷，早、晚2次噴吹3％食鹽水，經(jīng)過100小時后觀察是否斷裂。延遲斷裂發(fā)生率是在每一條件下對20片試片進(jìn)行上述曝露實(shí)驗(yàn)、將斷裂的試片數(shù)量除以20所得到的值。
圖6中示出曝露實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6表示σW對于延遲斷裂發(fā)生率的。在σW低于2300Mpa的條件下，延遲斷裂發(fā)生率是0。在2300MPa以上的條件下，延遲斷裂發(fā)生率隨著σW的增加而升高。由此可知，根據(jù)圖4預(yù)測該鋼制部件在σW小于2300MPa的條件下延遲斷裂發(fā)生率是0的結(jié)果是正確的。即，即使鋼制部件的形狀與延遲斷裂實(shí)驗(yàn)所使用的試片形狀不同，只要按照σW低于2300MPa的條件進(jìn)行設(shè)計就可以預(yù)防延遲斷裂。
圖7中示出σave對于延遲斷裂發(fā)生率的影響。以往都是使用圖7來預(yù)測延遲斷裂。應(yīng)力集中系數(shù)Kt不同時，延遲斷裂發(fā)生率為0的臨界σave是不同的。無論在什么樣的σave條件下，該鋼制部件的延遲斷裂發(fā)生率都是0，不可能準(zhǔn)確地預(yù)測。因此難以預(yù)測與進(jìn)行延遲斷裂實(shí)驗(yàn)的試片形狀不同的鋼制部件的延遲斷裂的發(fā)生。采用以往的方法，難以設(shè)計未進(jìn)行延遲斷裂實(shí)驗(yàn)的形狀的鋼制部件。
產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明可以正確地預(yù)測鋼制部件是否發(fā)生延遲斷裂。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定鋼制部件的形狀、工作應(yīng)力和使用環(huán)境，可以有效地防止延遲斷裂。即使實(shí)際使用的鋼制部件具有復(fù)雜的形狀，也可以采用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)進(jìn)行設(shè)計。從而使得以往難以實(shí)用的、抗拉強(qiáng)度超過1000MPa的高強(qiáng)度鋼容易達(dá)到實(shí)用化，結(jié)果，可以減輕各種裝置和機(jī)械的重量，提高作為全社會的能量使用效率。
延遲斷裂試驗(yàn)條件

權(quán)利要求
1.一種鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力的設(shè)定方法，其特征在于，求出臨界擴(kuò)散性氫量(HC)與Weibull應(yīng)力的關(guān)系，另外，求出鋼制部件使用過程中侵入的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)，接著，求出與上述侵入擴(kuò)散性氫量(HE)相等的上述臨界擴(kuò)散性氫量(HC)的Weibull應(yīng)力，設(shè)定鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力，使之成為在上述求出的Weibull應(yīng)力以下。
2.權(quán)利要求1所述的鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力的設(shè)定方法，其特征在于，Weibull應(yīng)力是采用有限元法、使用電子運(yùn)算裝置按下列公式1σw=[1Vo∫Vf(σeff)mdVf]1m]]>計算出來的。
3.一種鋼制部件的使用環(huán)境的設(shè)定方法，其特征在于，求出臨界擴(kuò)散性氫量(HC)與Weibull應(yīng)力(σWA)的關(guān)系，另外，根據(jù)實(shí)際使用的鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力求出實(shí)際使用的鋼制部件的Weibull應(yīng)力(σWB)，再求出與該Weibull應(yīng)力(σWB)相等的Weibull應(yīng)力(σWA)的臨界擴(kuò)散性氫量(HC)，設(shè)定鋼制部件的使用環(huán)境，以使鋼制部件使用過程中侵入鋼中的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)低于上述HC。
4.權(quán)利要求3所述的鋼制部件的使用環(huán)境的設(shè)定方法，其特征在于，Weibull應(yīng)力是采用有限元法、使用電子運(yùn)算裝置按下列公式1σw=[1Vo∫Vf(σeff)mdVf]1m]]>計算出來的。
5.一種鋼制部件的延遲斷裂的判定方法，其特征在于，求出臨界擴(kuò)散性氫量(HC)與Weibull應(yīng)力(σWA)的關(guān)系，另外，求出鋼制部件使用過程中侵入鋼中的侵入擴(kuò)散性氫量(HE)，接著，求出與上述侵入擴(kuò)散性氫量(HE)相等的上述臨界擴(kuò)散性氫量(HC)的Weibull應(yīng)力(σWA)，將該Weibull應(yīng)力(σWA)與根據(jù)使用中的鋼制部件的形狀和工作應(yīng)力算出的Weibull應(yīng)力(σWB)進(jìn)行比較，當(dāng)前者大于后者時，判定該鋼制部件不會發(fā)生延遲斷裂。
全文摘要
通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定抗拉強(qiáng)度高于1000MPa的高強(qiáng)度鋼部件的形狀、工作應(yīng)力和使用環(huán)境,可以有效地防止延遲斷裂。為此,求出臨界擴(kuò)散性氫量(HC)與Weibull應(yīng)力的關(guān)系,另外,求出鋼制部件使用過程中侵入鋼中的侵入擴(kuò)散性氫量(H
文檔編號C22C38/22GK1344932SQ0114071
公開日2002年4月17日 申請日期2001年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月31日
發(fā)明者高木周作, 津崎兼彰, 井上忠信 申請人:川崎制鐵株式會社, 獨(dú)立行政法人物質(zhì)、材料研究機(jī)構(gòu)