金屬材料中氫的來(lái)源

20世紀(jì)，在低合金高強(qiáng)度鋼中發(fā)現(xiàn)氫裂紋后，氫對(duì)金屬的影響日益受到關(guān)注。在近代工業(yè)和新技術(shù)發(fā)展中,大量實(shí)踐證明,幾乎所有金屬材料都有不同程度的吸氫傾向。而氫又是石油化工工業(yè)中的重要原料和工作介質(zhì),鋼材長(zhǎng)期與氫接觸,不但可能變脆,而且還能發(fā)生氫腐蝕,從而影響金屬材料的服役性能。金屬中氫的來(lái)源可分為外氫和內(nèi)氫兩類。外氫主要是金屬在服役期間環(huán)境介質(zhì)提供的氫,如儲(chǔ)存含氫介質(zhì)的金屬容器所吸入的氫、海水環(huán)境中的金屬結(jié)構(gòu)施加陰極極化時(shí)陰極表面產(chǎn)生的氫;內(nèi)氫主要包括金屬在冶煉和加工過(guò)程中進(jìn)入材料的氫:冶煉過(guò)程中進(jìn)入爐中的水分、油垢等不純物質(zhì)會(huì)分解形成氫而溶于金屬中,加工過(guò)程如焊接、酸洗、電鍍等都有可能有大量的氫進(jìn)入材料。在金屬材料尤其是高強(qiáng)度材料中,一旦吸入過(guò)量的氫,即有可能引發(fā)材料氫脆而發(fā)生失效,例如運(yùn)送天然氣的管道、儲(chǔ)存氫氣的金屬容器,以及海水環(huán)境中存在陰極極化的金屬結(jié)構(gòu)。天然氣中含有水和硫化氫,在輸送過(guò)程中,水吸附在管道內(nèi)壁表面形成液膜,硫化氫溶入液膜從而誘發(fā)管道腐蝕,在腐蝕反應(yīng)陰極區(qū)析出的氫原子通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入鋼中,當(dāng)氫含量累積到一定程度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致管道氫脆;貯氫設(shè)備在氫氣環(huán)境下,氫極易擴(kuò)散到貯氫合金中從而引起氫脆;海洋工程用鋼結(jié)構(gòu)在陰極極化作用下發(fā)生陰極析氫,氫不斷向材料內(nèi)部擴(kuò)散也可能導(dǎo)致鋼材脆斷。因此,研究氫原子在金屬材料中的擴(kuò)散對(duì)預(yù)防材料中氫脆的發(fā)生具有重要意義。本文就金屬材料中氫擴(kuò)散的原理、影響氫擴(kuò)散的因素、氫擴(kuò)散的研究方法以及避免氫脆的方法進(jìn)行綜述。1氫在金屬中的擴(kuò)散金屬在含氫環(huán)境中或進(jìn)行陰極充氫時(shí),在金屬表面會(huì)形成氫吸附層,吸附在金屬表面的氫原子由于濃差驅(qū)動(dòng)會(huì)從表面擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)部。氫原子從金屬表面進(jìn)入金屬內(nèi)部的擴(kuò)散依賴于氫在金屬表面的覆蓋度。覆蓋度很低時(shí),氫只吸附在吸附能很大的位置上,氫原子被很緊地束縛著以至于限制了它的移動(dòng);覆蓋度較高時(shí),金屬表面吸附能較低的位置也有氫原子吸附,此時(shí),氫原子的活化能足以擺脫束縛,從而能向金屬內(nèi)部擴(kuò)散。氫在金屬中的擴(kuò)散,從熱力學(xué)角度看,是由于金屬晶格中的氫一直在其熱力學(xué)平衡位置附近做熱振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)的能量大于擴(kuò)散激活能時(shí),氫將從一個(gè)間隙位置躍遷到另一個(gè)間隙位置,引起附近晶體點(diǎn)陣發(fā)生熵變和局部彈性畸變,進(jìn)而引起氫的遷移。從本質(zhì)上看,氫的擴(kuò)散是在化學(xué)勢(shì)能差即化學(xué)梯度的驅(qū)動(dòng)下從化學(xué)勢(shì)高的地方向化學(xué)勢(shì)低的地方擴(kuò)散,直到達(dá)到平衡。即氫在金屬中的擴(kuò)散是由于金屬內(nèi)部的氫濃度或溫度不均勻(金屬中兩相的化學(xué)勢(shì)不相等)而產(chǎn)生的一種使?jié)舛然驕囟融呌诰鶆虻亩ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)。研究指出氫在金屬中的擴(kuò)散有4種不同機(jī)理:在極低溫度下,氫作為帶態(tài)而離域化,它在帶態(tài)中的擴(kuò)散會(huì)受到聲子和晶格缺陷散射的限制。在稍高的溫度下,氫被定域在具體的間隙位置中,需要熱能來(lái)改變位置。一種可能性是從一個(gè)間隙位置到另一個(gè)間隙位置的隧穿,需要熱能將這兩個(gè)位置上的能級(jí)調(diào)節(jié)到相同的值;另一種可能性是在兩個(gè)位置間的跳躍,這是經(jīng)典的擴(kuò)散機(jī)制,該擴(kuò)散過(guò)程涉及到活化能,且在溫度較高時(shí)起主要作用。在最高溫度下,很多氫處于高于勢(shì)壘的能態(tài),此時(shí)氫的擴(kuò)散就與稠密氣體和液體中的擴(kuò)散相似。研究者同時(shí)指出各種機(jī)制運(yùn)作的溫度區(qū)域并沒(méi)有嚴(yán)格的劃分。根據(jù)經(jīng)典的擴(kuò)散機(jī)制,氫在金屬中的擴(kuò)散是以Fick第一定律和Fick第二定律為理論基礎(chǔ)的,第一定律闡明流量與濃度梯度成正比的關(guān)系,第二定律是在前者的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)得出的關(guān)于濃度隨時(shí)間變化的定律。由于金屬內(nèi)部的氫濃度或溫度不均勻(金屬中兩相的化學(xué)勢(shì)不相等)而產(chǎn)生一種使?jié)舛然驕囟融呌诰鶆虻亩ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)。在測(cè)算擴(kuò)散系數(shù)的過(guò)程中應(yīng)用上述兩個(gè)定律,其適用范圍以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的初始條件是關(guān)鍵,不同的適用條件和初始狀態(tài)都會(huì)使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及測(cè)算結(jié)果大相徑庭。所以要根據(jù)具體的實(shí)際情況來(lái)設(shè)定初始條件和邊界條件。2氫擴(kuò)散的影響因素2.1位錯(cuò)和雜質(zhì)原子的氫擴(kuò)散作用由于材料中存在各種缺陷(如位錯(cuò)、晶界、雜質(zhì)原子、夾雜物和微空洞等)而形成氫原子擴(kuò)散的氫陷阱。這些氫陷阱對(duì)氫擴(kuò)散的影響是很復(fù)雜的:Hirth和Kumnick提出位錯(cuò)核心是強(qiáng)陷阱,它能吸引并捕獲氫,而且氫在位錯(cuò)中的擴(kuò)散遠(yuǎn)快于在晶格中。Kurkela發(fā)現(xiàn),形變后的Ni表觀擴(kuò)散系數(shù)提高了5個(gè)數(shù)量級(jí),從而認(rèn)為位錯(cuò)對(duì)氫的擴(kuò)散起促進(jìn)作用。但他對(duì)全貝氏體鋼在塑性變形過(guò)程中的氫滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,位錯(cuò)僅起到氫陷阱的作用,從而降低了氫滲透率。關(guān)于晶界對(duì)氫擴(kuò)散的影響與位錯(cuò)對(duì)其影響相似,Pressouyre和Asaoka的研究表明晶界也是氫的強(qiáng)陷阱,它能吸引并捕獲氫。有人認(rèn)為氫沿晶界擴(kuò)散速度較晶格內(nèi)快,并且實(shí)驗(yàn)已證實(shí)銀元素沿銅晶界比晶格擴(kuò)散快。關(guān)于雜質(zhì)原子對(duì)氫擴(kuò)散的影響:Luu研究表明試樣中隨著氫含量的增加,MnS和基體的界面既是氫的強(qiáng)陷阱也是氫擴(kuò)散的主要通道。Pumphrey研究了MnS夾雜對(duì)氫擴(kuò)散的影響,發(fā)現(xiàn)MnS夾雜的含量和取向?qū)鋽U(kuò)散有明顯的影響:條狀硫化物夾雜與試樣表面垂直時(shí)氫擴(kuò)散系數(shù)隨硫化物含量的增加而增加。Chou研究了低碳鋼中不同S含量對(duì)氫擴(kuò)散的影響,發(fā)現(xiàn)S含量高的試樣氫含量也高,但是擴(kuò)散系數(shù)均較低。以上結(jié)果表明,有些缺陷(如位錯(cuò)、晶界和夾雜物)對(duì)氫擴(kuò)散行為的影響是多方面的,既可能是氫的陷阱又可能是氫擴(kuò)散的通道。2.2b含量對(duì)氫擴(kuò)散的影響在材料中某些化學(xué)成分會(huì)影響氫的擴(kuò)散系數(shù)。萬(wàn)曉景研究了B對(duì)Co3Ti和Ni3Al中氫擴(kuò)散行為的影響:B不能降低H在Co3Ti中的擴(kuò)散系數(shù)而能降低氫在Ni3Al中的擴(kuò)散系數(shù),是因?yàn)锽在Ni3Al的晶界上有強(qiáng)烈偏聚從而對(duì)氫的擴(kuò)散有較大的阻力,而B(niǎo)在Co3Ti的晶界上有極微弱的偏聚,從而對(duì)氫的擴(kuò)散有較小的阻力。Takasugi的研究成果也證明了類似現(xiàn)象。洪波對(duì)不同B含量的無(wú)序態(tài)和有序態(tài)Ni3Fe合金采用預(yù)滲氫拉伸和電化學(xué)滲透的試驗(yàn)方法,系統(tǒng)地研究對(duì)不同硼含量的Ni3Fe合金中氫的擴(kuò)散。隨著B(niǎo)含量的增加,B同時(shí)降低無(wú)序態(tài)和有序態(tài)Ni3Fe合金的表觀擴(kuò)散系數(shù)。陳濤研究了Fe對(duì)氫在無(wú)序態(tài)和有序態(tài)Ni3Fe合金中擴(kuò)散的影響:隨著合金中Fe含量的增加,不同化學(xué)計(jì)量比的有序態(tài)和無(wú)序態(tài)Ni3Fe合金的表觀擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小。此結(jié)果與陳業(yè)新用陰極滲氫法研究氫在有序態(tài)和無(wú)序態(tài)Ni-26Fe合金中的擴(kuò)散行為的結(jié)果一致。從上述結(jié)果中可大致得出:凡化學(xué)成分在金屬中能偏聚在晶界,則該化學(xué)成分有降低氫擴(kuò)散系數(shù)的作用,反之亦然。2.3擴(kuò)散系數(shù)的影響氫濃度是影響氫擴(kuò)散系數(shù)的一個(gè)重要因數(shù)。針對(duì)氫擴(kuò)散過(guò)程中的兩種初始狀態(tài)(“衰降暫態(tài)”、“升起暫態(tài)”),Richter研究氫濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響:因?yàn)樵嚇觾?nèi)部殘留的氫量不同,所以衰減暫態(tài)下,時(shí)間值增大,擴(kuò)散系數(shù)值減小;升起暫態(tài)下,時(shí)間值增大,擴(kuò)散系數(shù)增大。曾小利研究發(fā)現(xiàn):隨充氫電流密度的增大,進(jìn)入試樣中的氫含量越大,而表觀擴(kuò)散系數(shù)略有減小,這是由于氫原子交互作用,當(dāng)氫濃度較大時(shí),氫原子的交互作用會(huì)阻礙氫的擴(kuò)散。袁緯用電化學(xué)方法研究X120管線鋼氫致裂紋行為時(shí)也同樣發(fā)現(xiàn):隨著充氫電流密度的增大,氫擴(kuò)散通量增大。2.4氫在高強(qiáng)度鋼中的擴(kuò)散從熱力學(xué)觀點(diǎn)可知,三向拉應(yīng)力的存在將降低金屬基體中間隙氫原子的化學(xué)勢(shì),壓應(yīng)力升高氫原子的化學(xué)勢(shì)。由氫擴(kuò)散原理可得氫原子會(huì)在應(yīng)力梯度驅(qū)動(dòng)下向高應(yīng)力方向擴(kuò)散,使得這種非均勻的化學(xué)勢(shì)達(dá)到平衡。所以,當(dāng)存在應(yīng)力時(shí),在應(yīng)力梯度的誘導(dǎo)作用下,氫將向高應(yīng)力區(qū)域富集,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,擴(kuò)散達(dá)到熱力學(xué)宏觀上的穩(wěn)定狀態(tài)。Nagao使用氫微顯技術(shù)對(duì)氫在高強(qiáng)度鋼中的擴(kuò)散研究得出:應(yīng)力場(chǎng)的存在將明顯促進(jìn)氫在鋼中的擴(kuò)散和積聚,從而使有應(yīng)力集中的缺陷部位成為整個(gè)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。蔣文春用ABAQUS有限元軟件模擬了焊態(tài)和焊后殘余應(yīng)力對(duì)氫擴(kuò)散影響得出:存在焊接殘余應(yīng)力梯度時(shí),氫向高應(yīng)力區(qū)富集,而經(jīng)焊后熱處理,殘余應(yīng)力減小,氫的擴(kuò)散也降低。于啟湛研究了氫在低碳鋼中的擴(kuò)散發(fā)現(xiàn):塑性變形和拉伸應(yīng)力的作用使鋼中的氫陷阱增多(可逆陷阱)從而使溶氫時(shí)擴(kuò)散系數(shù)增大,但逸氫時(shí)擴(kuò)散系數(shù)減小。2.5厚度對(duì)氫脆的影響氫的擴(kuò)散基于Fick定律,由Fick定律推導(dǎo)的公式可得:厚度對(duì)氫的擴(kuò)散有一定的影響。余剛采用電化學(xué)滲氫法研究了氫在2.25Cr1Mo中的擴(kuò)散,研究表明厚度為0.4~1.2mm時(shí),隨著厚度增加,擴(kuò)散系數(shù)迅速增大;厚度為1.2~1.6mm時(shí),隨厚度增加,擴(kuò)散系數(shù)增大幅度減小;厚度大于1.6mm時(shí),擴(kuò)散系數(shù)保持平穩(wěn)。馬方容等采用雙電解槽氫滲透法研究了搪瓷鋼的氫擴(kuò)散,研究表明當(dāng)試樣厚度d從0.25mm增至0.6mm,TH值線性下降;d≥0.6mm后,TH值保持不變。由Fick定律推導(dǎo)的公式可得擴(kuò)散系數(shù)和溫度之間的關(guān)系為:D=D0exp(-Ea/RT),其中:Ea為擴(kuò)散活化能;D0為頻率因子;R為氣體常數(shù)。由上式可看出,溫度升高,擴(kuò)散系數(shù)增大。2.6元?dú)浣Y(jié)構(gòu)材料金屬合金中相的存在結(jié)構(gòu)不同,會(huì)造成氫在金屬合金中的擴(kuò)散系數(shù)存在差異。Tokano等在NiZr-Nb三元體系的研究發(fā)現(xiàn)具有良好氫滲透性能的合金均具有雙相結(jié)構(gòu),其中初生的bcc-(NbTi)相承擔(dān)氫滲透作用,共晶相作為支撐相,起抗氫脆作用。日本學(xué)者K.Aoki和美國(guó)學(xué)者ThadM.Adams分別對(duì)Al-Ti-Nb、Ni-Zr-Nb、V-Ti-Ni等三元合金氫分離膜材料進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該類合金均存在雙相結(jié)構(gòu)(基體主相和共晶相),也證實(shí)了初生相承擔(dān)氫滲透作用,共晶相起抗氫脆作用。學(xué)者在Ni-Zr-Nb體系中證實(shí),Nb10Zr45Ni45合金和Nb20Zr40Ni40都是由初生相和共晶相組成,且在623K以上溫度測(cè)量,發(fā)現(xiàn)這兩種合金進(jìn)行滲氫均沒(méi)有發(fā)生氫脆,擴(kuò)散系數(shù)比同樣條件下的Pd要高。實(shí)驗(yàn)室制備的Nb-Ti-Ni體系氫滲透合金分為兩相結(jié)構(gòu)和三相結(jié)構(gòu),研究得出兩相結(jié)構(gòu)合金的氫滲透性能優(yōu)于三相結(jié)構(gòu)合金性能;增加合金中Ni、Ti含量可使共晶相的體積分?jǐn)?shù)增大,從而抗氫脆能力增強(qiáng),但氫擴(kuò)散系數(shù)降低。何建宏研究了氫在(α+γ)雙相不銹鋼中的擴(kuò)散,結(jié)果表明氫在γ相中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于α相的擴(kuò)散系數(shù),且主要以串聯(lián)形式擴(kuò)散,γ相起主要影響氫擴(kuò)散的因數(shù)。2.7濕度對(duì)熱鍍鋅鋼的腐蝕影響由于濕度的不同,水汽含量也不同,金屬間化合物的組成元素會(huì)與環(huán)境中的水汽發(fā)生表面反應(yīng),形成氫原子,氫原子通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入合金內(nèi)部,從而發(fā)生脆性斷裂。沿海城市的海洋性氣候具有高溫、高濕以及高含鹽量等特點(diǎn),海洋大氣可能是金屬合金發(fā)生氫脆的敏感介質(zhì),張大磊采用改進(jìn)的雙電解池對(duì)熱鍍鋅鋼材在恒溫30度下改變濕度來(lái)測(cè)氫滲透電流,運(yùn)用慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡來(lái)研究在海洋大氣中的氫脆敏感性,結(jié)果表明:熱鍍鋅鋼材在相對(duì)濕度高于80%海洋大氣中會(huì)造成氫滲入鋼材中,氫滲透電流先增大后逐漸減小且最大值隨著濕度增加而增加。費(fèi)小丹利用塔菲爾極化曲線技術(shù)、電化學(xué)阻抗技術(shù)和掃描電鏡等方法研究了X70鋼在不同濕度的卵石黃泥土中的腐蝕行為,結(jié)果表明在中低濕度條件下,腐蝕速度隨溫度的增大而增大,濕度為25%時(shí)腐蝕速度最大,超過(guò)這個(gè)濕度,腐蝕速度減小,這是因?yàn)闈穸仍?5%時(shí)水分能夠在試樣表面形成連續(xù)的液膜,同時(shí)又不會(huì)因水分過(guò)多而改變土壤的透氣性。李興霞通過(guò)一系列高強(qiáng)度鋼熔敷金屬擴(kuò)散氫含量試驗(yàn),結(jié)果表明:空氣濕度對(duì)高強(qiáng)鋼焊接接頭中擴(kuò)散氫含量有十分明顯的影響,通過(guò)降低空氣濕度是降低高強(qiáng)鋼的焊接接頭擴(kuò)散氫含量的有效措施。3幾種方法的對(duì)比近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氫在金屬中的擴(kuò)散行為進(jìn)行了大量的研究。所用的方法可以分為:準(zhǔn)彈性中子散射(QNS)、核磁共振法(NMR)、動(dòng)態(tài)內(nèi)耗方法、離子探針?lè)椒?IMMA)、電化學(xué)方法。其中,電化學(xué)方法主要包括:恒電位階躍法(PSM)、恒電流放電法(CCDT)、循環(huán)伏安法(CV)、電化學(xué)阻抗法(EIS)、脈沖電流法(CPM)和電化學(xué)滲氫法(EPT),并且通過(guò)電化學(xué)方法測(cè)定氫在合金中的擴(kuò)散系數(shù),已成為一種能合理表征氫擴(kuò)散能力的方法。在電化學(xué)方法中,PSM法和CCDT法是在氫含量不斷變化的情況下測(cè)試的,所以測(cè)試結(jié)果是不同氫含量下擴(kuò)散系數(shù)的平均值。其中,PSM法擴(kuò)散控制較難實(shí)現(xiàn),情況較為復(fù)雜;CCDT法只適用于小電流放電,其試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)且放電曲線中過(guò)渡時(shí)間不易精確取值。CV法、EIS法、CPM法和EPT法可在保持試樣初始狀態(tài)不改變的情況下進(jìn)行試驗(yàn),所以測(cè)試結(jié)果基本上能反映氫的擴(kuò)散系數(shù)和氫含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。用CV法求擴(kuò)散系數(shù)的公式推導(dǎo)是以完全可逆和完全不可逆反應(yīng)為基礎(chǔ)的,但實(shí)際試驗(yàn)中充放電過(guò)程既不是完全可逆的反應(yīng),也不是完全不可逆的反應(yīng)。EIS法的優(yōu)點(diǎn)在于可從阻抗譜中直觀地確定擴(kuò)散控制區(qū)從而求得擴(kuò)散系數(shù)。EPT法在電極制備和實(shí)驗(yàn)裝置方面受到很大的限制。比較而言,EPT能較好地反映擴(kuò)散系數(shù)與電極中氫濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法的原理是在陰極池內(nèi)外加電化學(xué)充氫條件使在試樣表面發(fā)生析氫反應(yīng),產(chǎn)生的氫原子聚集在試樣表面,原子態(tài)氫在試樣表面以H2的形式溢出或者滲入試樣內(nèi)部,滲入試樣內(nèi)部后氫的存在狀態(tài)也不相同,有進(jìn)入金屬晶格內(nèi)部的、有擴(kuò)散離開(kāi)的,擴(kuò)散滲透過(guò)試樣的氫原子在陽(yáng)極池表面被氧化為氫離子,用恒電位儀測(cè)得氧化電流即滲氫電流,進(jìn)而得到滲氫電流隨時(shí)間的變化曲線,然后根據(jù)相應(yīng)的推導(dǎo)公式D=L2/(15.3tb)(式中:D為擴(kuò)散系數(shù),L為試樣厚度,tb為氫擴(kuò)散穿透時(shí)間)求氫的擴(kuò)散系數(shù)。在已經(jīng)報(bào)道的對(duì)同一體系中氫擴(kuò)散系數(shù)的電化學(xué)測(cè)試中,不同的作者用同一種方法或者同一作者用不同的方法得出的結(jié)果都不相同,而且有些規(guī)律甚至完全相反。究其原因,從理論上看,所有這些電化學(xué)方法都是被測(cè)體系根據(jù)Fick第二定律得出的擴(kuò)散方程在相應(yīng)的邊界條件下的應(yīng)用,但是不同的電化學(xué)方法中擴(kuò)散方程的邊界條件具有不同的形式,各種電化學(xué)方法的差別就在于此。從實(shí)驗(yàn)參數(shù)上看,所有這些方法中普遍存在參數(shù)S、C0、CS,這些參數(shù)不易精確取值,這也將給最終的計(jì)算結(jié)果帶來(lái)誤差。為減小誤差,國(guó)內(nèi)外一些工作者根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)要求,建立合理的擴(kuò)散模型,靈活運(yùn)用了一些方法得到最佳的結(jié)果。因目前還沒(méi)有用來(lái)測(cè)量在尖缺口和裂紋處的局部氫擴(kuò)散系數(shù)或氫含量的技術(shù),所以O(shè)lden用內(nèi)聚區(qū)模型和修改的Fick定律來(lái)說(shuō)明靜水應(yīng)力和應(yīng)變的影響,從而計(jì)算局部氫濃度。為研究鋼中陷阱(主要是晶界)位置對(duì)氫擴(kuò)散的影響,Yazdipour模擬了二維晶粒和晶界,運(yùn)用CellularAutomaton技術(shù)結(jié)合有限差分法來(lái)研究具有不同晶粒尺寸的X70輸油管鋼的二維氫擴(kuò)散,得出不同的晶粒尺寸對(duì)擴(kuò)散率有不同的影響,即非常細(xì)的和非常粗的晶粒尺寸的擴(kuò)散率比最佳晶粒尺寸(46μm)更小,為了驗(yàn)證上述方法,N.Yazdipour對(duì)具有不同晶粒尺寸的X70輸油管進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn),得出的結(jié)果與Automaton技術(shù)結(jié)合有限差分法得出的結(jié)果一致。為計(jì)算不同溫度下的X70輸油管鋼的基體鋼,焊接鋼和模擬熱影響區(qū)的焊縫的有效擴(kuò)散系數(shù)和次表面氫濃度,VigdisOlden采用電化學(xué)滲氫方法得出:隨溫度的升高,擴(kuò)散系數(shù)也隨著增大;在熱影響區(qū)馬氏體具有最低的氫擴(kuò)散系數(shù),這是因?yàn)轳R氏體轉(zhuǎn)變引起殘余應(yīng)力,從而導(dǎo)致陷阱數(shù)量的增加。長(zhǎng)期以來(lái),研究高強(qiáng)度鋼的氫脆敏感性的一個(gè)難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確測(cè)定鋼中的氫含量,郭昀靜通過(guò)TDS分析(TDS分析方法可以使材料中氫含量的測(cè)量精度達(dá)到0.01×10-6)結(jié)合慢速率拉伸試驗(yàn)方法研究了一種二次硬化鋼中的氫的擴(kuò)散行為及其對(duì)塑性的影響。TDS分析發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)鋼中存在兩個(gè)氫逸出峰,激活能分別為20.2、24.6kJ·mol-1,由晶界、位錯(cuò)等弱氫陷阱引起。4表面處理及鈦合金防護(hù)氫脆與環(huán)境因素、力學(xué)因素和材質(zhì)等有關(guān),因此主要從這幾個(gè)方面著手防止氫脆的發(fā)生。①防止氫進(jìn)入或少進(jìn)入金屬合金:可以采用表面涂層,使合金表面和環(huán)境介質(zhì)隔離;也可以在氫氣中加入抑制劑,如在純干燥氫氣中加入0.6%的氧氣,因?yàn)檠踉訒?huì)優(yōu)先吸附在裂紋尖端或合金表面,生成氧化膜有效的阻止氫原子的擴(kuò)散。②在合金設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中,要盡力排除拉應(yīng)力的產(chǎn)生。進(jìn)行表面處理使表面獲得殘余壓應(yīng)力,對(duì)氫致延遲斷裂有良好的防護(hù)作用。③選擇金屬材料應(yīng)盡可能選擇KIHEC值高的,設(shè)計(jì)時(shí)要盡量使K1(K1是應(yīng)力強(qiáng)度因子)小于KIHEC。在實(shí)際生產(chǎn)中可以參考上述方法,同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)提出一些避免氫脆的措施。倪小平