雙電解池法研究20型鋼氫滲透時(shí)缺陷對(duì)氫擴(kuò)散的影響

雙電解池法研究20型鋼氫滲透時(shí)缺陷對(duì)氫擴(kuò)散的影響

純鋼是一種高純度、高均勻度、低混合物和細(xì)顆粒度的鋼。這種鋼具有高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命和耐腐蝕性。但是伴隨著純凈鋼中雜質(zhì)元素的減少和機(jī)械性能的提高,純凈鋼中的氫含量較非純凈鋼也大幅度降低,但鋼的氫脆敏感性非但沒有下降,反而上升。鋼中氫脆發(fā)生的主要環(huán)節(jié)之一是氫原子在鋼中的擴(kuò)散,研究氫在純凈鋼中的擴(kuò)散,可以為防止純凈鋼中的氫脆提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文研究了20g純凈鋼中的氫陷阱對(duì)氫擴(kuò)散的影響,其結(jié)果將為20g純凈鋼的未來應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。1試樣內(nèi)部氫滲透實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)材料為寶鋼生產(chǎn)的20g純凈鋼寬厚板,化學(xué)成分為:Fe-0.16C-0.72Mn-0.72Si(wt%)。用掃描電鏡觀察到的20g純凈鋼的組織形貌如圖1所示,由圖可見,純凈鋼的組織為先共析鐵素體(圖中的灰黑色部分)和片層狀珠光體(圖中的灰白色部分)的雙相組織。用于氫滲透的純凈鋼試樣依次進(jìn)行研磨、拋光,并在丙酮中超聲清洗30min,用無水乙醇浸泡和清洗后,吹干表面,試樣的厚度為0.252mm。在電解氫滲透過程中,為減小試樣陽極面的電化學(xué)腐蝕和加快氫原子進(jìn)入試樣,在氫滲透試樣表面鍍金屬鈀。實(shí)驗(yàn)采用Devanathan雙電解池方法進(jìn)行氫滲透,雙電解池中的電解液為0.2mol/LNaOH溶液,另加入2mol/LNa2S作為毒化劑。將試樣安裝在雙電解池中,暴露于液體中的試樣面積為0.785cm2。電解池的陰極端采用恒電流法充氫,電流密度為10mA/cm2,陽極端使用飽和甘汞電極作為參比電極,用ZF-3恒電位儀施加200mV電壓(相對(duì)于參比電極)使氫原子離子化。在陰極端上施加充氫電流開始?xì)錆B透,同時(shí)用X-Y坐標(biāo)記錄儀記錄陽極電流隨陰極充氫時(shí)間的變化,當(dāng)氫在試樣中的滲透達(dá)到穩(wěn)態(tài)(即陽極電流不隨時(shí)間變化)后關(guān)閉陰極電流,停止陰極充氫過程。為研究試樣內(nèi)部缺陷對(duì)20g純凈鋼中氫原子擴(kuò)散的影響,分別進(jìn)行了以下三次氫滲透實(shí)驗(yàn):(1)將新鮮的原始試樣安裝在雙電解池裝置中,加熱兩邊電解池內(nèi)的溶液到80℃,保溫3h以除去溶液中溶解的氧氣,然后降溫至30℃,為減少電解池內(nèi)部殘余氫原子或其他雜質(zhì)微粒對(duì)充氫過程的影響,當(dāng)陽極端的背底電流密度i<10μm/cm2時(shí),開始第一次氫滲透實(shí)驗(yàn);(2)為使試樣內(nèi)可逆性陷阱內(nèi)束縛的氫原子擴(kuò)散出陷阱,在第一次氫滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,重新加熱兩邊溶液到80℃,保溫3h后降溫。當(dāng)兩邊溶液溫度降至30℃、陽極端的背底電流密度i<10μm/cm2時(shí),進(jìn)行第二次氫滲透實(shí)驗(yàn);(3)在第二次氫滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,繼續(xù)保持溶液溫度在30℃,當(dāng)陽極端的背底電流密度i<10μm/cm2時(shí),進(jìn)行第三次氫滲透實(shí)驗(yàn)。利用時(shí)間滯后法計(jì)算氫在合金中的擴(kuò)散系數(shù)D,所用公式如式(1)所示:D=L26tL(1)D=L26tL(1)其中,L為試樣的厚度,tL為滯后時(shí)間。滯后時(shí)間的定義為:陽極瞬時(shí)電流密度達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流密度的0.63倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。如在圖2中,當(dāng)縱坐標(biāo)的歸一化陽極電流密度(陽極電流密度與穩(wěn)態(tài)電流密度的比值)為0.63時(shí),滲透曲線上所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為滯后時(shí)間。如果不考慮試樣內(nèi)部氫陷阱的影響,即氫在理想晶格中擴(kuò)散時(shí),歸一化陽極電流密度I/I∞可用公式(2)表示:II∞=LDt√×2π√Σn=0∞exp(?(2n+1)2L24Dt)(2)ΙΙ∞=LDt×2πΣn=0∞exp(-(2n+1)2L24Dt)(2)其中L為試樣的厚度;D為氫在試樣中的擴(kuò)散系數(shù);I為氫滲透時(shí)間為t時(shí)刻的陽極電流密度;I∞為陽極穩(wěn)態(tài)電流密度。2氫滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析當(dāng)陰極充氫電流密度為10mA/cm2時(shí),在30℃下依次進(jìn)行第1次、第2次和第3次氫滲透實(shí)驗(yàn)時(shí),所得到的歸一化陽極電流密度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。在氫滲透曲線中,一般將從開始施加陰極充氫電流到陽極電流開始出現(xiàn)的這段時(shí)間稱為氫的穿透時(shí)間,即氫原子從試樣的陰極面擴(kuò)散至陽極面所需要的時(shí)間。從圖2中的氫滲透曲線中可以得到每次充氫的氫穿透時(shí)間和滯后時(shí)間,利用滯后時(shí)間和公式(1)可計(jì)算得到每次氫滲透實(shí)驗(yàn)時(shí)氫的表觀擴(kuò)散系數(shù)。20g純凈鋼的氫穿透時(shí)間、滯后時(shí)間及計(jì)算所得到的表觀擴(kuò)散系數(shù)列于表1中。由表1可見,隨實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣的狀態(tài)不同,20g純凈鋼的氫穿透時(shí)間、滯后時(shí)間和表觀擴(kuò)散系數(shù)發(fā)生了相應(yīng)變化。從表1中可見,新鮮試樣的氫穿透時(shí)間、滯后時(shí)間最大,相應(yīng)的氫表觀擴(kuò)散系數(shù)最小;氫滲透后未經(jīng)加熱處理試樣的氫穿透時(shí)間、滯后時(shí)間最小,相應(yīng)的氫表觀擴(kuò)散系數(shù)最大;而氫滲透后經(jīng)80℃保溫處理試樣的氫穿透時(shí)間、滯后時(shí)間和相應(yīng)的氫表觀擴(kuò)散系數(shù)居兩者之間。利用表1中的擴(kuò)散系數(shù)和公式(2),可以擬合出在理想(無陷阱)試樣中,氫擴(kuò)散時(shí)的歸一化陽極電流密度隨氫滲透時(shí)間變化的理論預(yù)測(cè)的氫滲透曲線(以下簡(jiǎn)稱為氫滲透理論曲線)如圖3所示,圖3中同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的滲透曲線作為對(duì)比。由圖3可見,氫滲透理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線不能完全重合,在氫滲透的初始階段,氫滲透理論曲線高于實(shí)驗(yàn)曲線;而在陽極電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前,氫滲透理論曲線又低于實(shí)驗(yàn)曲線。不同狀態(tài)試樣所得到的實(shí)驗(yàn)滲透曲線與氫滲透理論曲線之間的差異也不同,其中第三次氫滲透時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線與氫滲透理論曲線吻合得最好(圖3)。由于氫滲透的試樣兩面都鍍鈀,所以氫原子由陰極進(jìn)入試樣的時(shí)間和氫原子滲透出陽極的時(shí)間均可以忽略不計(jì)。因此,在不同氫滲透實(shí)驗(yàn)中,氫穿透時(shí)間的差異與試樣中存在的氫陷阱的作用有關(guān)。由于新鮮試樣(未滲過氫的試樣)中含有大量的氫陷阱(強(qiáng)束縛陷阱和弱束縛陷阱),當(dāng)陰極產(chǎn)生的氫原子進(jìn)入試樣后,氫原子首先在陷阱處聚集,待氫原子填滿試樣中全部氫陷阱后,后續(xù)進(jìn)入試樣的氫原子才在晶格中擴(kuò)散。氫陷阱的存在滯后了氫原子到達(dá)陽極面的時(shí)間,由于新鮮試樣中的氫陷阱數(shù)量最多,因此在氫滲透曲線上其穿透時(shí)間最長(zhǎng)(圖3(a)),氫陷阱的存在也導(dǎo)致新鮮試樣中的氫擴(kuò)散系數(shù)在三次氫滲透實(shí)驗(yàn)中最低。在新鮮試樣氫滲透后,將試樣加熱到80℃保溫3h,在加熱和保溫過程中,弱束縛(可逆)氫陷阱(如:相界和弱吸附位錯(cuò)等)中的氫原子可能會(huì)擺脫陷阱的束縛而成為可擴(kuò)散氫原子;而強(qiáng)束縛(不可逆)氫陷阱(如:顆粒/基體界面、夾雜、孔洞、金屬氫化物等)由于與氫原子之間存在強(qiáng)大的結(jié)合力,從而使氫原子無法擺脫此類陷阱的束縛。因此,在第二次滲透實(shí)驗(yàn)過程中,氫原子只需填滿試樣內(nèi)部的弱束縛陷阱,從而使氫的穿透時(shí)間相應(yīng)減少(圖3(b)),氫陷阱數(shù)量的減少導(dǎo)致氫的擴(kuò)散系數(shù)也相應(yīng)增加。在試樣氫滲透后,未經(jīng)加熱處理,保持試樣溫度在30℃,但在30℃下,仍可能有少量氫原子能擺脫弱束縛氫陷阱的束縛,但這類氫原子的數(shù)量非常有限,故在第三次氫滲透實(shí)驗(yàn)時(shí),氫原子主要在晶格中擴(kuò)散,從而導(dǎo)致氫的穿透時(shí)間最短(圖3(c)),氫的擴(kuò)散系數(shù)最大。由于氫陷阱的存在滯后了氫原子到達(dá)試樣陽極面的時(shí)間,使得在氫滲透的開始階段,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氫濃度低于理論預(yù)測(cè)的氫濃度。在擴(kuò)散過程中,氫原子在陷阱處聚集使得陷阱處的氫原子濃度遠(yuǎn)大于周圍正常晶格處的氫濃度。一般而言,強(qiáng)束縛陷阱只能吸收氫原子,而氫原子則不能擺脫陷阱的束縛;而弱束縛陷阱既可以吸收氫原子,又可以釋放氫原子,當(dāng)弱束縛陷阱處的氫原子聚集到一定濃度時(shí),氫原子會(huì)由陷阱處逸出并參與在周圍晶格中的擴(kuò)散,這相當(dāng)于增加了試樣內(nèi)部局部的氫原子濃度梯度,從而導(dǎo)致氫滲透曲線在