已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了材料組織結(jié)構(gòu)對(duì)氫在鋼中擴(kuò)散系數(shù)的影響，雖然這些文獻(xiàn)研究結(jié)果并不是完全一致，但是研究結(jié)果的總趨熱表明H在鋼中擴(kuò)散系數(shù)在鋼的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分有著密切聯(lián)系，即當(dāng)材料的主要化學(xué)成分一定時(shí)，H在屬中的擴(kuò)散是一種組織結(jié)構(gòu)敏感特性。浙江至德鋼業(yè)有限公司以不同的固溶處理方式對(duì)2205雙相不銹鋼和2507雙相不銹鋼進(jìn)行固溶處理，以改變其組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究組織結(jié)構(gòu)對(duì)雙相不銹鋼氫擴(kuò)散系數(shù)的影響。
對(duì)于鋼材氫擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算，可以采用如下計(jì)算公式：
式中：D(cm/s)為氫在鋼材試樣中的擴(kuò)散系數(shù)；L(mm)為氫滲透試樣薄膜的厚度：從標(biāo)準(zhǔn)鋼材氫滲透曲線圖（圖6.2)可知，tb為第一個(gè)氫原子開始從氫滲透薄膜試樣的陰極面滲透到陽極面的時(shí)間，即氫滲透曲線上陽極電流開始上升的時(shí)間，tlag定義為氫滲透曲線上陽極電流密度為穩(wěn)態(tài)電流密度（i)0.63時(shí)的時(shí)間，tlag即陽極電流（ia)=0.63(i)時(shí)的時(shí)間。因?yàn)?507 雙相不銹鋼是一種超級(jí)雙相不銹鋼，對(duì)其氫滲透行為的測(cè)量在技術(shù)上比較困難，尤其是測(cè)試周期較長(zhǎng)，通常需要幾個(gè)星期的時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致獲得穩(wěn)態(tài)電流比較困難，所以本節(jié)采用式（6.1)進(jìn)行計(jì)算2507雙相不銹鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)。已有學(xué)者證實(shí)了式（6.1)及式（6.2)這兩種方法都是可行的，計(jì)算所得氫擴(kuò)散系數(shù)（D)結(jié)果相當(dāng)。
2205雙相不銹鋼經(jīng)不同固溶處理后，雙相不銹鋼在0.4M HCl溶液中的氫診透曲線如圖6.3所示。
根據(jù)氫滲透曲線，由式（6.1)計(jì)算氫的擴(kuò)散系數(shù)。
從圖6.3中可以看出，950℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的tb為65733s,1000℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的tb為56115s,1050℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的tb為的205,1100C/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的tb為41332s。并且，當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)（大于150000s,此時(shí)，雙相不銹鋼內(nèi)部氫原子基本達(dá)到飽和），隨著固溶處理溫度的升高，雙相不銹鋼在溶液中的電流密度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。
根據(jù)公式D=L2/(15.3t6),可以得到：不同固溶處理后的2205雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的氫擴(kuò)散系數(shù)曲線圖如圖6.4所示。
圖6.4 不同固溶處理后的2205雙相不銹鋼在0.4M HCl溶液中的氫擴(kuò)散系數(shù)曲線圖從圖6.4中可以看出，950℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCl溶液中的擴(kuò)散系數(shù)D為8.949×10-14㎡/s,1000℃/30min固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCl溶液中的擴(kuò)散系數(shù)D為1.048×10-13㎡/s,1050℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的擴(kuò)散系數(shù)D為1.181×10-13㎡/s,1100℃/30min 固溶處理雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的擴(kuò)散系數(shù)D為1.431×10-13㎡/s.不難看出，隨著固溶處理溫度的升高，雙相不銹鋼在0.4MHCI溶液中的擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。而雙相不銹鋼中鐵素體百分比隨著固溶處理溫度的升高，也呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，說明雙相不銹鋼在溶液中的氫擴(kuò)散系數(shù)隨著鐵素體百分比含量的升高，呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。
由陰極充氫產(chǎn)生的氫原子一部分會(huì)結(jié)合成H2而逸出，另一部分會(huì)以原子態(tài)吸附于雙相不銹鋼表面。氫在雙相不銹鋼中的擴(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力為濃度梯度，氫原子會(huì)從H原子高濃度區(qū)域向H原子低濃度區(qū)域擴(kuò)散，直至穿透至試樣另一面，而被氧化成H+,成為陽極信號(hào)電流，此時(shí)氫滲透曲線中的電流密度開始逐漸上升。在氫原子穿過雙相不銹鋼的過程中，其阻力主要為雙相不銹鋼組織中的缺陷（如空位、晶界、位錯(cuò)），以及第二相。這些缺陷以及第二相顆粒能夠?qū)原子產(chǎn)生“釘扎”作用，使得氫原子難以繼續(xù)擴(kuò)散而“停留”在其周圍。氫在鋼中的分布不是均勻的，而且氫不僅存在于晶格間隙中，還會(huì)以原子的形式存在于組織的缺陷處，如空位、位錯(cuò)、晶界、第二相等。
奧氏體相是面心立方結(jié)構(gòu)，固溶氫原子的能力強(qiáng)。在雙相不銹鋼中，奧氏體相可以做為氫的陷阱，并且奧氏體吸收氫的能力與其晶粒尺寸正比，使得氫原子固溶在奧氏體相內(nèi)，直至奧氏體氫濃度達(dá)到飽和，降低了氫在其中的擴(kuò)散率。而鐵素體相是體心立方結(jié)構(gòu)，氫原子在其中的固溶度低，但氫原子在其中的擴(kuò)散率高，稱為氫的“擴(kuò)散通道”；隨著固溶處理溫度的升高，雙相不銹鋼中的鐵素體的含量逐漸升高，而奧氏體的含量逐漸下降，使得氫原子的“擴(kuò)散通道”增多，且氫原子的擴(kuò)散阻力減小，導(dǎo)致氫在雙相不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)升高。將2507雙相不銹鋼于固溶熱處理溫度分別為1000℃、1050℃、1100℃及1200℃的條件下保溫，將材料保溫0.5h后水冷使得實(shí)驗(yàn)材料獲得不同的顯微組織結(jié)構(gòu)，研究實(shí)驗(yàn)材料在0.4M HCI腐蝕介質(zhì)中組織對(duì)DSS2507雙相不銹鋼氫滲透行為的作用。對(duì)于腐蝕溶液的配置必須要有足夠高的純度，因?yàn)楫?dāng)CI-、SO2-4、I-及CN-等離子存在時(shí)，對(duì)材料的氫擴(kuò)散速度都會(huì)產(chǎn)生較明顯的影響，會(huì)導(dǎo)致陽極電流迅速上升，因此腐蝕介質(zhì)的配置都是用去離子水和分析純?cè)噭┡渲谩?/span>
1000℃、1050℃、1100℃及1200℃固溶態(tài)的2507雙相不銹鋼室溫下在0.4M HCI溶液介質(zhì)中的氫滲透曲線如圖6.5所示。從圖6.5中可以看出四種固溶狀態(tài)的2507雙相不銹鋼的陽極電流都隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，即表明材料中的氫含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增多。此外從圖6.5可以獲得固溶溫度為1000℃時(shí)2507雙相不銹鋼的tb為32263s、1050℃時(shí)2507雙相不銹鋼的tb為29548s、1100℃時(shí)2507雙相不銹鋼的tb為25530s、1200℃時(shí)2507雙相不銹鋼的。為21253s,可以看出隨著固溶溫度的升高t,呈逐漸減小的趨勢(shì)，即隨著固溶溫度的升高第一個(gè)氫原子開始從氫滲透薄膜試樣的陰極面滲透到陽極面的時(shí)間縮短，也可以認(rèn)為在滲氫曲線上陽極電流密度開始升高的時(shí)間縮短。根據(jù)式（6.1)D=L2/15.3tb分別計(jì)算出不同固溶態(tài)的2507雙相不銹鋼氫擴(kuò)散系數(shù)如表6.1所列。從表6.1可以看出四種固溶狀態(tài)的2507雙相不銹鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)都屬于同一數(shù)量級(jí)，擴(kuò)散系數(shù)相差不是很大，但是能夠得知在固溶熱處理溫度不斷上升的情況下氫擴(kuò)散系數(shù)（D)表現(xiàn)為逐步變大的趨勢(shì)，四種固溶態(tài)的2507 雙相不銹鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)（D)分別為5.06×10-11c㎡/s、5.53×10-11c㎡/s、6.41×10-11c㎡/s、7.68×10-11c㎡/s,可見隨固溶處理溫度從1000℃上升至1200℃氫擴(kuò)散系數(shù)升高了2.62×10-11c㎡/s,即在固溶熱處理溫度不斷增高的情況下，DSS2507能夠溶解的氫量逐漸減少，DSS2507的耐氫脆性能下降。不同固溶態(tài)的鋼發(fā)生氫溶解度的改變以及發(fā)生氫擴(kuò)散系數(shù)改變的原因在于固溶溫度的變化使2507雙相不銹鋼中的兩相比例發(fā)生變化，由第3章對(duì)DSS2507在不同固溶態(tài)下兩相組織的研究可知，固溶熱處理溫度的增高使鋼中的鐵素體(α)相量增多，而奧氏體（γ)相含量降低。從表6.1列出的2507雙相不銹鋼兩含量及氫擴(kuò)散系數(shù)（D)可以看出，隨著鐵素體（α)相含量的升高，氫在鋼中的D值呈逐漸增大的變化趨勢(shì)；而隨著奧氏體（γ)相含量升高，氫擴(kuò)散系數(shù)（D)呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。這表明2507雙相不銹鋼兩相結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了其氫擴(kuò)繳系數(shù)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致其耐氫脆性能的改變。
氫的溶解量對(duì)氫向材料內(nèi)部擴(kuò)散和滲入以及導(dǎo)致材料產(chǎn)生氫脆有著很大的影響。2507雙相不銹鋼的氫平衡固溶量受其組織的影響，Tumbul等人已經(jīng)建立了一個(gè)關(guān)于氫在雙相不銹鋼兩相組織中擴(kuò)散的一個(gè)模型，指出氫在奧氏體（γ）相中的擴(kuò)散率要低于在鐵素體（α)相中的擴(kuò)散率，但是奧氏體（γ)相的氫溶解度要高于鐵素體（α)相，約為鐵素體（α)相的30倍，當(dāng)雙相鋼中奧氏體（γ)相量較多時(shí)鋼能夠溶解更多的氫，進(jìn)而使氫擴(kuò)散系數(shù)減小；何建宏等人通過緊湊拉伸實(shí)驗(yàn)研究了雙相不銹鋼的氫脆過程，指出隨著雙相不銹鋼中奧氏體（γ)相含量的升高，雙相不銹鋼發(fā)生氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值升高，奧氏體（γ)相對(duì)氫致延遲裂紋的擴(kuò)展有一定的阻礙作用，其在雙相鋼斷裂方面能夠發(fā)揮“纖維韌化”的作用，進(jìn)而能夠有效提高鋼的耐氫脆性能，即雙相不銹鋼的氫脆敏感性隨著奧氏體（γ)含量的升高表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。此外，黃彥良等人也指出材料發(fā)生氫脆和塑性降低的現(xiàn)象與材料吸附滲透氫的體積分?jǐn)?shù)存在較大的聯(lián)系，當(dāng)材料的氫溶解度升高即鋼中奧氏體相含量升高時(shí)，則其耐氫脆性能會(huì)得到增強(qiáng)。這幾種觀點(diǎn)都表明雙相不銹鋼中的奧氏體相能夠提高鋼的抗氫脆能力。從表6.1可以看出氫擴(kuò)散系數(shù)（D)與奧氏體相含量呈反比例的變化趨勢(shì)，即DSS2507中的奧氏體相含量越低氫擴(kuò)散系數(shù)越大。由第3章對(duì)2507雙相不銹鋼固溶組織的研究可知，奧氏體相含量隨固溶處理溫度的上升而減少，所以氫擴(kuò)散系數(shù)跟固溶溫度呈正比例的變化趨勢(shì)，即固溶熱處理溫度的增高使DSS2507雙相不銹鋼的氫平衡固溶量降低，實(shí)際表現(xiàn)為氫擴(kuò)散系數(shù)（D)增大、耐氫脆能力降低。
另外，晶粒尺寸也能夠?qū)湎虿牧蟽?nèi)部滲入和擴(kuò)散產(chǎn)生作用。當(dāng)材料的晶粒呈較窄的細(xì)長(zhǎng)條狀時(shí)，雙相不銹鋼的擴(kuò)散系數(shù)會(huì)較低。這是由于晶粒尺寸較小、晶界面積增大、鋼中的氫陷阱密度升高，進(jìn)而導(dǎo)致試樣陰極側(cè)形成的H擴(kuò)散至材料內(nèi)部后先被鋼中的氫陷阱所捕獲進(jìn)而使H于陷阱處聚集。只有當(dāng)氫陷都被H填滿之后，后來到達(dá)到鋼內(nèi)部的H才會(huì)在材料的晶格中擴(kuò)散，這樣就導(dǎo)致原子氫到達(dá)試樣陽極面的時(shí)間（16)延長(zhǎng)，根據(jù)式（6.1)可知最終導(dǎo)致鋼的氯擴(kuò)散系數(shù)減小。根據(jù)第3章對(duì)DSS2507雙相不銹鋼的組織研究結(jié)果可得，DSS2507雙相不銹鋼中的兩相組織在較低的固溶溫度下都呈長(zhǎng)條狀、晶粒尺寸較小，固溶熱處理溫度的增高使兩相的晶粒尺寸都呈緩慢的長(zhǎng)大趨勢(shì)，且奧氏體y相逐漸變短，變成島狀分散于鐵素體上。即隨著固溶溫度的升高，2507雙相不銹鋼晶粒尺寸變大、晶界面積減小，導(dǎo)致氫陷阱密度減小、氫擴(kuò)散系數(shù)變大。從表6.1也能夠獲得隨固溶處理溫度的增高，氫擴(kuò)散系數(shù)連續(xù)變大，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。
綜上所述，2507雙相不銹鋼氫擴(kuò)散系數(shù)隨著固溶溫度的升高而變大，氫脆敏感性提高，耐氫脆性能降低。
