冷拔珠光體高強度鋼絲或鋼絞線廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土、橋梁斜拉索及懸索等結(jié)構(gòu)中。鑒于各類結(jié)構(gòu)的重要性，人們長期以來一直致力于鋼絲結(jié)構(gòu)安全和壽命預(yù)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(huán)境中，氫透過鋼絲表面進入其內(nèi)部，導(dǎo)致鋼絲力學(xué)性能惡化誘發(fā)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(dāng)鋼中局部區(qū)域聚集的氫濃度達(dá)到某一臨界值時，便可導(dǎo)致鋼絲的低應(yīng)力脆斷。因此，了解氫在鋼中的擴散及濃度分布規(guī)律對研究鋼絲的氫致斷裂及壽命預(yù)測具有重要意義。鋼絲氫脆由氫的擴散過程控制，外力產(chǎn)生的靜水應(yīng)力是氫擴散的主要驅(qū)動力，然而在冷拔過程中，鋼絲中將產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力。相關(guān)研究表明，不均勻殘余應(yīng)力將加劇氫在鋼中的擴散和聚集，使鋼絲局部區(qū)域聚集過量的氫，導(dǎo)致氫脆的發(fā)生。雖然穩(wěn)定化處理可以使鋼絲中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力明顯減小，但較大的拉伸殘余應(yīng)力仍然會存在于鋼絲的外邊緣上，在鋼絲后續(xù)服役期中將繼續(xù)威脅著鋼絲的安全。因此，研究冷拔機冷拔殘余應(yīng)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(chǎn)生殘余應(yīng)力，還伴隨著大量的塑性變形。強烈的塑性應(yīng)變將導(dǎo)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(rèn)為塑性變形會導(dǎo)致氫在金屬中的擴散系數(shù)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(yīng)力對氫擴散的影響上，而考慮殘余塑性應(yīng)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(fā)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(shè)定軸向拉拔速度(設(shè)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(shù)一般在0.01—0.2之間，Atienza等的數(shù)值模擬結(jié)果表明摩擦系數(shù)設(shè)定在此范圍內(nèi)對殘余應(yīng)力應(yīng)變場的影響不大。
2.冷拔殘余應(yīng)力應(yīng)變有限元計算結(jié)果
鋼絲在拉拔過程中將被引入殘余應(yīng)力。鋼絲中的殘余應(yīng)力是一個三維場，在鋼絲內(nèi)部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在外部表現(xiàn)為拉應(yīng)力。其中，軸向殘余應(yīng)力幅值為顯著，對鋼絲斷裂性能的影響。軸向拉殘余應(yīng)力達(dá)609MPa，壓殘余應(yīng)力達(dá)-1345MPa。鋼絲塑性應(yīng)變相當(dāng)大，在0.36—0.42之間。強烈的塑性變形必然導(dǎo)致材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化，增加氫陷阱密度，從而改變氫在材料內(nèi)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(yīng)力水平很高，鋼絲表面的軸向應(yīng)力達(dá)1130MPa。而在實際生產(chǎn)中，由于酸洗等加工過程往往使鋼絲表面及內(nèi)部滲入一定的氫，鋼絲拉拔過程中產(chǎn)生的高應(yīng)力，必然促進氫在局部區(qū)域富集，從而導(dǎo)致鋼絲在拉出模孔一定距離后發(fā)生斷裂。因此，可以從應(yīng)力促進氫富集的角度解釋鋼絲在拉拔過程中發(fā)生氫致滯后斷裂的原因。
3.殘余塑性應(yīng)變對服役鋼絲氫擴散過程的影響
殘余應(yīng)力應(yīng)變的存在加劇氫在材料內(nèi)部的擴散，使材料內(nèi)部聚集過飽和氫，相應(yīng)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(yīng)力和塑性應(yīng)變影響所得的氫濃度比只考慮應(yīng)力影響擴散所得氫濃度大得多，可見塑性應(yīng)變對氫擴散的促進作用相當(dāng)顯著。
同時影響所得的氫濃度小于僅應(yīng)力影響時的氫濃度，而隨著時間的增加，應(yīng)變促進氫富集的作用才表現(xiàn)出來。這是因為塑性應(yīng)變對氫擴散的影響具有兩個方面的作用，一方面塑性應(yīng)變引入大量錯位，位錯作為氫的陷阱，使擴散系數(shù)下降，從而減緩氫的擴散和聚集速度，在短時間內(nèi)應(yīng)變的影響表現(xiàn)為抑制氫聚集。
另一方面，由于塑性應(yīng)變增加氫在材料內(nèi)的溶解度，隨著時間的延長，應(yīng)變使溶解度增加的影響逐漸表現(xiàn)出來，終應(yīng)力應(yīng)變同時影響的氫富集濃度大于只考慮殘余應(yīng)力誘導(dǎo)作用所得的氫富集濃度。另外，應(yīng)變的影響作用使氫擴散達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間明顯延長。