雙電解池法研究20型鋼氫滲透時缺陷對氫擴散的影響

雙電解池法研究20型鋼氫滲透時缺陷對氫擴散的影響

純鋼是一種高純度、高均勻度、低混合物和細顆粒度的鋼。這種鋼具有高強度、長壽命和耐腐蝕性。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散,研究氫在純凈鋼中的擴散,可以為防止純凈鋼中的氫脆提供實驗依據(jù)。本文研究了20g純凈鋼中的氫陷阱對氫擴散的影響,其結(jié)果將為20g純凈鋼的未來應用提供實驗數(shù)據(jù)。1試樣內(nèi)部氫滲透實驗實驗材料為寶鋼生產(chǎn)的20g純凈鋼寬厚板,化學成分為: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腐蝕和加快氫原子進入試樣,在氫滲透試樣表面鍍金屬鈀。實驗采用Devanathan雙電解池方法進行氫滲透,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氫滲透,同時用X-Y坐標記錄儀記錄陽極電流隨陰極充氫時間的變化,當氫在試樣中的滲透達到穩(wěn)態(tài)(即陽極電流不隨時間變化)后關閉陰極電流,停止陰極充氫過程。為研究試樣內(nèi)部缺陷對20g純凈鋼中氫原子擴散的影響,分別進行了以下三次氫滲透實驗:(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)微粒對充氫過程的影響,當陽極端的背底電流密度i<10μm/cm2時,開始第一次氫滲透實驗;(2)為使試樣內(nèi)可逆性陷阱內(nèi)束縛的氫原子擴散出陷阱,在第一次氫滲透實驗結(jié)束后,重新加熱兩邊溶液到80℃,保溫3h后降溫。當兩邊溶液溫度降至30℃、陽極端的背底電流密度i<10μm/cm2時,進行第二次氫滲透實驗;(3)在第二次氫滲透實驗結(jié)束后,繼續(xù)保持溶液溫度在30℃,當陽極端的背底電流密度i<10μm/cm2時,進行第三次氫滲透實驗。利用時間滯后法計算氫在合金中的擴散系數(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為滯后時間。滯后時間的定義為:陽極瞬時電流密度達到穩(wěn)態(tài)電流密度的0.63倍時所對應的時間。如在圖2中,當縱坐標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,滲透曲線上所對應的時間即為滯后時間。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散時,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為氫在試樣中的擴散系數(shù);I為氫滲透時間為t時刻的陽極電流密度;I∞為陽極穩(wěn)態(tài)電流密度。2氫滲透實驗結(jié)果分析當陰極充氫電流密度為10mA/cm2時,在30℃下依次進行第1次、第2次和第3次氫滲透實驗時,所得到的歸一化陽極電流密度隨時間的變化曲線如圖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)的這段時間稱為氫的穿透時間,即氫原子從試樣的陰極面擴散至陽極面所需要的時間。從圖2中的氫滲透曲線中可以得到每次充氫的氫穿透時間和滯后時間,利用滯后時間和公式(1)可計算得到每次氫滲透實驗時氫的表觀擴散系數(shù)。20g純凈鋼的氫穿透時間、滯后時間及計算所得到的表觀擴散系數(shù)列于表1中。由表1可見,隨實驗時試樣的狀態(tài)不同,20g純凈鋼的氫穿透時間、滯后時間和表觀擴散系數(shù)發(fā)生了相應變化。從表1中可見,新鮮試樣的氫穿透時間、滯后時間最大,相應的氫表觀擴散系數(shù)最小;氫滲透后未經(jīng)加熱處理試樣的氫穿透時間、滯后時間最小,相應的氫表觀擴散系數(shù)最大;而氫滲透后經(jīng)80℃保溫處理試樣的氫穿透時間、滯后時間和相應的氫表觀擴散系數(shù)居兩者之間。利用表1中的擴散系數(shù)和公式(2),可以擬合出在理想(無陷阱)試樣中,氫擴散時的歸一化陽極電流密度隨氫滲透時間變化的理論預測的氫滲透曲線(以下簡稱為氫滲透理論曲線)如圖3所示,圖3中同時給出了實驗測得的滲透曲線作為對比。由圖3可見,氫滲透理論曲線和實驗曲線不能完全重合,在氫滲透的初始階段,氫滲透理論曲線高于實驗曲線;而在陽極電流達到穩(wěn)態(tài)之前,氫滲透理論曲線又低于實驗曲線。不同狀態(tài)試樣所得到的實驗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的實驗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入試樣的時間和氫原子滲透出陽極的時間均可以忽略不計。因此,在不同氫滲透實驗中,氫穿透時間的差異與試樣中存在的氫陷阱的作用有關。由于新鮮試樣(未滲過氫的試樣)中含有大量的氫陷阱(強束縛陷阱和弱束縛陷阱),當陰極產(chǎn)生的氫原子進入試樣后,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)進入試樣的氫原子才在晶格中擴散。氫陷阱的存在滯后了氫原子到達陽極面的時間,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間最長(圖3(a)),氫陷阱的存在也導致新鮮試樣中的氫擴散系數(shù)在三次氫滲透實驗中最低。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:相界和弱吸附位錯等)中的氫原子可能會擺脫陷阱的束縛而成為可擴散氫原子;而強束縛(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,在第二次滲透實驗過程中,氫原子只需填滿試樣內(nèi)部的弱束縛陷阱,從而使氫的穿透時間相應減少(圖3(b)),氫陷阱數(shù)量的減少導致氫的擴散系數(shù)也相應增加。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驗時,氫原子主要在晶格中擴散,從而導致氫的穿透時間最短(圖3(c)),氫的擴散系數(shù)最大。由于氫陷阱的存在滯后了氫原子到達試樣陽極面的時間,使得在氫滲透的開始階段,實驗測得的氫濃度低于理論預測的氫濃度。在擴散過程中,氫原子在陷阱處聚集使得陷阱處的氫原子濃度遠大于周圍正常晶格處的氫濃度。一般而言,強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,當弱束縛陷阱處的氫原子聚集到一定濃度時,氫原子會由陷阱處逸出并參與在周圍晶格中的擴散,這相當于增加了試樣內(nèi)部局部的氫原子濃度梯度,從而導致氫滲透曲線在