材料失效与延寿研究室

【研究室总体介绍】

     材料失效与延寿研究室是环境断裂教育部重点研究室的重要组成部分。

  环境断裂主要研究材料在不同服役环境中断裂的宏观规律和微观机理。环境断裂研究室是我国最早开展金属材料应力腐蚀的研究单位。上世纪80年代,在我国著名冶金材料学家肖纪美先生的领导下开展了飞机起落架的应力腐蚀研究,自此,在我国开创了应力腐蚀和氢脆研究的先河。实验室经过近40年的发展,已经成为国际上环境断裂研究领域具有重要影响的研究团队,壮大成为环境断裂教育部重点实验室。

     环境断裂教育部重点实验室的前身是1986年经原冶金部批准成立的环境断裂开放实验室,1990年成为第一批教育部开放实验室,先后由肖纪美院士和褚武扬教授任主任。1999年成为第一批教育部重点实验室,乔利杰教授任主任。1990年通过国家科委组织的第一届国家重点实验室和部门开放实验室的评估,1993年、1997年通过国家科技部评估,2002年、2007年、2012年通过教育部评估。2005年获教育部创新团队计划资助。  

  本研究室主要从事材料断裂和环境断裂的宏观规律和微观机理研究,立足于结构材料和功能材料的环境失效机理,以及抗环境断裂材料的研发,主要研究方向有:1)金属材料的断裂和环境断裂;2)金属材料断裂和环境断裂的微观机理以及延寿措施;3)超高强钢延迟开裂评价方法;4)低Cr钢耐蚀的机制和焊接性能以及合金元素的影响;5)纳米材料力学及环境效应性;6)材料基因组工程在耐腐蚀/抗环境断裂材料的研发等等。研究室近年来承担了“973”“863”支撑计划、国家自然科学基金(国际合作、重点、面上)项目等国家纵向课题和航空航天领域、大型国有企业等横向课题,如大型运载火箭、导弹发动机、天宫二号等航天器关键部件的失效分析和安全性评价,以及新一代超高强汽车用钢板、线材等的研发。在环境断裂机理的基础研究,以及我国重大工程、军事装备和航天器的安全服役做出了重要贡献。

  研究室现有固定科研人员梯队结构完善,形成了由长江学者、杰出青年基金、中组部青年拔尖人才、教育部新世纪人才、北京市科技新星、北京市英才计划获得者组成的生机勃勃的研究队伍。环境断裂研究室近四十年来培养了包括中国科学院院士张统一教授在内的一大批高素质的博士和硕士研究生,他们工作在国内外高校、研究所、宝钢、中石化和中石油等国内大型企业,为环境断裂的发展做出了重要贡献。

  研究室曾获国家自然科学奖二等奖1项,省部级科技进步奖一等奖4项、二等奖6项,发表SCI学术论文500余篇,出版学术专著20余部。

 

【研究室成员介绍】

乔利杰   李金许   许立宁 

 

【研究室主要研究内容及科研成果】

1、金属材料的氢脆和应力腐蚀

金属材料的环境断裂(氢脆、应力腐蚀和腐蚀疲劳)是导致重大工程失效,造成恶性事故的重要原因。本研究室近四十年来致力于金属材料的氢脆和应力腐蚀研究,获得了许多重要结果。例如发现应力腐蚀过程中会在裂尖或试样表面形成腐蚀产物膜(或钝化膜),这层膜对材料的应力腐蚀过程和性能有重要影响。比如,这层膜会在基体中产生一个膜致拉应力,对大量的应力腐蚀体系研究表明,应力腐蚀敏感性与膜致应力的大小正相关,即膜致应力越大,应力腐蚀敏感性越高,当膜致应力为零或压应力时,则不产生应力腐蚀。分子动力学和有限元模拟表明,膜致应力的最大值处于腐蚀膜和金属基体的界面,膜致应力与外加载荷叠加导致应力腐蚀裂纹前端发射位错,当发射位错达到临界状态时导致应力腐蚀裂纹的形核和扩展。

在该领域发表SCI论文400余篇,出版了包括《氢脆和应力腐蚀——基础部分》、《氢脆和应力腐蚀——典型体系》、《断裂与环境断裂》、《氢损伤与滞后断裂》、《应力作用下的金属腐蚀》和《应力腐蚀机理》等多部专著。获得至今为止国内腐蚀领域唯一的一项自然科学二等奖,以及省部级科技进步一、二等奖多项。

2、金属材料断裂和环境断裂的微观机理以及延寿措施研究

利用透射电镜(TEM)原位拉伸实验研究了韧性金属(AlCuNi和不锈钢等)和脆性金属(TiAlNi3Al金属间化合物)断裂的微观过程,在国际上首次发现微裂纹会在裂纹尖端或无位错区(DFZ)中形核扩展;发现无论是韧性金属还是脆性金属(金属间化合物)在裂纹扩展前均发射位错,对国际上公认的裂纹发射位错与否是区分韧性和时脆性材料的判据提出了挑战。

利用自制的加载台研究了环境断裂的微观过程,发现在环境断裂过程中,无论是腐蚀介质、充氢还是液态金属吸附均会导致位错的发射、增值和运动,当位错的发射、增值和运动达到临界状态时就会导致微裂纹的形核和扩展。

针对延迟开裂的本质,从微观组织和结构分析入手,研究材料失效的微观机理,并探讨材料延寿使用的可能和措施。

3、超高强钢延迟开裂评价方法研究

钢的强度越高,氢致开裂敏感性越高。抗拉强度大于1000MPa的超高强钢发生氢致开裂的可能性显著增大。通常超高强钢的延迟开裂以氢致滞后开裂为主。多年来由于没有统一的评价方法,国内外各个研究机构和公司均采用自己的评价方法,导致每种材料试验数据缺乏可靠的互比性。这也成为了耐延迟开裂汽车用超高强钢最终面向市场化的最大障碍。因此科学的、准确的、高效的氢致延迟开裂敏感性评价方法的研究具有重要的现实意义。

本实验室对几种980MPa级的超高强汽车钢板以及1180MPa1300MPa级别的马氏体钢板,利用U弯浸泡、慢应变速率拉伸和恒载荷等方法,结合测氢技术,研究了超高强度汽车钢板氢致延迟开裂敏感性。研究发现,U弯试样有的在脊背处发生点蚀,出现蚀孔而不断裂;而有的不发生点蚀直接断裂。恒载荷实验方法可以定量地测出材料在特定环境条件下发生延迟开裂的门槛应力,以及该门槛应力随氢浓度的变化规律。这种方法试验周期长,速度慢,可以定量表征出材料的氢脆敏感性(或应力腐蚀敏感性)大小,对于已经确定选用的材料或工艺,用这种方法给出的临界数据最可靠。而慢应变速率拉伸方法测出在特定环境条件和应变速率条件下,材料发生氢脆(或应力腐蚀敏感性)的大小,同时具有半定量和实验周期较快的优点,因此可用于筛选材料或工艺。

本实验室对不同评价方法之间的可比对性进行了系统研究,根据不同材料、工况、环境条件而提出了汽车钢板延迟开裂的评价方法建议,被国内某著名大型汽车钢板制造企业采用。

 4、低Cr钢耐蚀的本征机制和焊接性能研究

1) Cr钢的“准钝化”行为研究:在普通碳钢和不锈钢之间,存在选材上的空白。在碳钢中加入少量的Cr制备的低Cr钢,具有优于碳钢的耐蚀性能。其成本远低于不锈钢,且可焊性也优于不锈钢,因而低Cr钢逐渐成为研究热点。本研究室在国际上较早发现并命名了低Cr钢的“准钝化”现象,首次对“准钝化”膜进行了原位观察和成分分析,揭示了溶液pH值会显著影响“准钝化”行为。发表于Corrosion Science的文章获得国内外学者广泛关注,其中一篇他引次数超过60次,“准钝化”这一说法从此被沿用。

我们的研究表明,在CO2腐蚀环境下,低Cr钢中的Cr通过同时影响阳极过程和阴极过程来诱发钢基体“自发”进入准钝化状态:阳极过程中,Cr的添加使阳极过程附加Cr的反应,Cr(OH)3膜不断生成并覆盖于基体表面,阳极电流密度下降,极化曲线表现为准钝化;对阴极过程,Cr的水解导致基体/溶液界面处pH快速下降,驱动H+的还原转变,从而进入准钝化电位区间,基体发生自发准钝化,耐蚀性能明显提高。这一观点发表于Corrosion Science,获得了国内外同行的引用。本研究室还首次提出了“有效Cr含量”的概念:低Cr钢中的Cr一类为以析出相等化合态形式存在,另一类以固溶态形式存在,正是后者对耐蚀性起着至关重要的作用。

   2) Cr钢焊接性能及其它合金元素的影响:焊接接头具有较好耐蚀性能是低Cr钢大规模应用的前提,本研究室与美国俄亥俄州立大学方塔纳腐蚀中心合作,开展了饱和CO2盐水溶液环境下焊接接头原位微区电化学测试。结果表明,母材区电位最负,约- 655 mV/SCE,与焊缝区电位相差约100 mV,该电位差足以驱使区域之间产生明显电偶效应,其中焊缝区作为阴极被保护,母材区则作为阳极被加速。这与腐蚀模拟实验焊接接头各区减薄及体积损失结果一致。在实际应用中,母材区面积相对于焊缝区和热影响区可视为无限大,因此,母材区加速腐蚀效应将被无限降低,几乎可以忽略,而焊缝区和热影响区则被很好保护。这种大阳极(母材区)、小阴极(热影响区+焊缝区)的电偶组合可以有效避免焊缝区和热影响区的局部优先腐蚀,对焊接接头的安全应用非常有利。

此外,本实验室还研究了添加AlNiMo等合金元素对低Cr钢耐蚀性能的影响。结果表明,添加上述元素并不会改变自发准钝化,起主要作用的仍然是Cr,因此以Cr为主要合金元素,添加微量的其他元素来调节组织和力学性能,来设计低Cr钢是可行的。Al会像Cr那样在腐蚀产物膜中富集,Mo会少量富集在腐蚀膜中,而Ni则不在腐蚀膜中富集。

5、多孔纳米金材料的力电耦合效应研究

纳米多孔金材料具有表面积大、高密度原子级台阶、良好的导电性能,以及表面等离子体效应和高的杨氏模量高等特点广泛应用与催化、电极材料,以及分子检测和驱动器件等,在微纳器件和传感器中具有广泛的应用。在国家自然基金委/香港RGC联合基金的资助下开展了纳米多孔金的力//化学多产耦合效应的规律和机理研究。

6、多场耦合下铁磁合金的相变与断裂研究

 形状记忆合金、超磁致伸缩材料等铁磁合金重要的智能功能材料,可广泛应用于电器、建筑、能源、汽车、医疗、仪器仪表、自动控制、航空航天、生物工程、机器人和日常生活各个领域。它们在使用过程中面临四个服役条件:应力、温度、磁场和化学环境(潮湿空气和氢等)。在复杂服役条件下,合金的相变与断裂行为对其服役可靠性及寿命具有重要影响,研究室对Ni50Mn30Ga20Fe-Ga合金等典型铁磁材料,系统研究了多场耦合条件对材料相变与断裂特性的影响。

 

【研究室承担科研项目】

1“863”项目:基于材料基因工程的高通量设计、制备与表征技术;

2“973”课题:多重动态海洋环境因素作用下材料腐蚀损伤的机理与规律;

3、国家重点研发计划重点专项子课题:高性能超高强汽车用原型钢的技术基础研究;

4、北京市科技计划项目:材料基因工程关键技术及其在镍基高温合金、金属锂负极中的应用研究;

5、国家自然科学基金委重点项目:原位纳米增强高强韧钢及其复杂海洋环境适应性研究;

6、国家自然科学基金委重点项目:成分和微结构调控的抗氢脆高强塑中锰钢基础研究;

7、国家自然科学基金委重点项目:高温高压核电水环境材料腐蚀的痕量效应及防护机理研究;

8、国家自然科学基金委重点项目:应力腐蚀的多层次跨尺度研究;

9、国家自然科学基金委面上项目:辐照促进应力腐蚀开裂机理研究;

10、国家自然科学基金委面上项目:晶界特征对氢致延迟开裂过程的影响;

11、国家自然科学基金委面上项目:磁场、环境耦合作用下Fe-Ga合金应力腐蚀的规律及机理;

12、国家自然科学基金委面上项目:金属生物膜的形成机理及其润滑和耐磨蚀的研究;

13、国家自然科学基金委面上项目:纳米多孔金属的力--化学介质多场偶耦合效应研究;

14、国家自然科学基金委面上项目:裂纹在沿晶氧化膜内形核的应力腐蚀新机理;

15、国家自然科学基金委面上项目:逆变奥氏体对马氏体时效钢氢致开裂性能的影响;

16、国家自然科学基金委面上项目:奥氏体不锈钢氢致滞后开裂机理研究;

17、国际(地区)合作项目:铁电陶瓷在电场、力和化学环境下的失效行为研究;

18、厂协项目:典型材料渗氢和脱氢实验研究;

19、厂协项目:加氢装置换热器H损伤规律及机理研究;

20、厂协项目:超高强汽车用冷镦钢的氢致延迟开裂研究;

21、厂协项目:汽轮机末级长叶片材料的氢脆敏感性评价;

22、厂协项目:12.9-14.9级超高强度紧固件用钢氢脆敏感性研究;

23、厂协项目:海洋链应力腐蚀性能测试及服役安全性评估;

24、厂协项目:汽车尾气催化剂失活或活性下降机理研究;

25、厂协项目:规整填料在减压条件下的腐蚀机理及失效预防。

 

【实验设备】

         

 

【学术交流】

     本研究室与美国卡内基-梅隆大学,西北大学,匹兹堡大学,乔治娅理工学院,英国牛津大学,剑桥大学,加拿大卡尔加里,阿尔伯塔,多伦多大学,挪威科技大学,日本丰田大学,东北大学金属研究所,物质与材料研究机构,韩国浦项大学,香港科技大学,香港理工大学等具有广泛的科研合作。

几年来,研究室先后邀请英国、挪威、美国、日本、加拿大等国专家多次来实验室讲学和交流,也经常邀请国际知名学者来华作长期学术访问,例如香港科技大学张统一院士、挪威科技大学张志良教授、南佛罗里达大学Volinsky教授、加拿大阿尔伯塔大学张豪教授等均在本研究室进行过一年以上的访问交流,给研究室师生提供了与国外知名学者近距离的学习交流机会,促进研究室的科研方向紧贴国际发展前沿。研究室也与国外大学有经常性互派研究生活动,使得研究生教育更具国际化。

    研究室通过主办或联合举办国际国内学术研讨会,积极加强在材料科学领域的学术交流与合作。200610月举办第14届亚太腐蚀与控制会议;200710月举办全国氢脆与应力腐蚀及工程应用学术研讨会;20095月举办材料力学行为的尺度效应国际研讨会;20108月举办第7届海峡两岸材料腐蚀与防护研讨会;20108月举办第8届压电原子力显微技术及纳米尺度极性材料和力学国际学术研讨会;20117月举办第8届全国环境敏感断裂学术研讨会;201310月第9届全国环境敏感断裂学术研讨会。实验室成员也经常参加各种国际、国内学术会议,近年来在各种学术会议上作大会报告、主旨报告、邀请报告数十人次。

 

【研究室团队建设】

  环境断裂研究室和材料失效与延寿研究室是一个积极、热情、团结的集体。在科研上,我们继承了老一辈学者们严谨、认真、不怕吃苦的精神;在日常生活中,研究室老师们对学生关怀备至。我们全方位的培养学生。学生毕业后,有的出国继续求学,有的进入了研究机构,有的自己创业,有的加入到大型企业。他们在研究所所学到的,并不只是认真对待每一个科研课题,而是在书面和口头表达、与人沟通、分析和解决问题等多方面能力的培养。用人单位也对我们的毕业生非常满意,并且建立了长期输送人才的通道。