王和慧，馮亞娟，侯　峰

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海　200237)

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試驗(yàn)研究

20g材料中氫擴(kuò)散規(guī)律研究及氫對(duì)材料力學(xué)性能的影響

王和慧，馮亞娟，侯峰

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237)

摘要：搭建了加速滲氫試驗(yàn)裝置和氫含量測(cè)試裝置，對(duì)20g材料氫擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究并測(cè)試氫含量對(duì)材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，材料的強(qiáng)度和塑性隨氫含量的增加而下降，但屈服強(qiáng)度下降并不明顯。當(dāng)充氫電流和充氫時(shí)間達(dá)到一定程度時(shí)材料中可擴(kuò)散氫含量不再增加，進(jìn)入鋼中的大量氫原子在夾雜等缺陷處聚集成氫分子，隨著氫濃度的增大，鋼材的氫損傷程度也越嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：20g；電化學(xué)充氫；氫擴(kuò)散；力學(xué)性能

0引言

化工設(shè)備暴露在濕硫化氫腐蝕環(huán)境中時(shí)，材料與環(huán)境交互作用，使鋼材發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，氫不可避免地滲入到材料內(nèi)部，加速鋼材材料性能的退化，使得材料產(chǎn)生氫鼓泡、氫脆等氫損傷，而這與進(jìn)入鋼材中的氫含量有關(guān)[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)20g材料在氫腐蝕環(huán)境中的氫擴(kuò)散規(guī)律及氫對(duì)材料力學(xué)性能影響的研究較少。王濤等[3]通過(guò)對(duì)X70,X80高強(qiáng)度管線鋼在0.5 mol/ L H2SO4溶液中進(jìn)行電化學(xué)充氫，應(yīng)用排油集氣法研究了氫在這兩種鋼中的擴(kuò)散行為。結(jié)果表明，在一定的充氫電流密度下管線鋼吸收氫存在一個(gè)穩(wěn)定的擴(kuò)散氫濃度,管線鋼吸收可擴(kuò)散氫的濃度隨鋼的強(qiáng)度提高而升高；張士歡等[4]采用拉伸和慢拉伸試驗(yàn)，研究了X80管線鋼在靜態(tài)充氫與慢拉伸動(dòng)態(tài)充氫條件下的斷裂特性；黃琦等[5-6]通過(guò)氫擴(kuò)散的機(jī)理及加氫反應(yīng)器用材具有的特點(diǎn)，分析了由于氫擴(kuò)散造成材質(zhì)劣化和破壞的原因和預(yù)防措施。

本文主要介紹電化充氫裝置的設(shè)計(jì)與確定，以及材料中氫含量的測(cè)試方法和確定電化學(xué)充氫的條件，研究20g材料中氫擴(kuò)散規(guī)律及氫含量對(duì)材料力學(xué)性能的影響，并對(duì)充氫后試樣斷口形貌進(jìn)行分析。

1試驗(yàn)

1.1　充氫裝置的確定

為了研究氫在20g材料中的擴(kuò)散規(guī)律和氫含量對(duì)材料力學(xué)性能的影響，需要預(yù)先對(duì)試樣進(jìn)行充氫。目前實(shí)驗(yàn)室主要的充氫方式有氣相充氫、電化學(xué)充氫、熔鹽充氫和化學(xué)腐蝕充氫等[7]。通過(guò)對(duì)比各種充氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)和前人研究可知，電化學(xué)充氫操作簡(jiǎn)單、安全隱患小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)成本低，可以控制電流大小、充氫時(shí)間、充氫溫度等參數(shù)，方便獲得試驗(yàn)所需條件，比較適合研究氫在20g中的擴(kuò)散規(guī)律和氫含量對(duì)材料力學(xué)性能的影響，因此選擇串聯(lián)電路電化學(xué)充氫裝置,如圖1所示。

圖1　串聯(lián)電路電化學(xué)充氫裝置

1.2　試驗(yàn)材料及預(yù)處理

電化學(xué)充氫時(shí)試樣作陰極，鉑片作陽(yáng)極，利用電解反應(yīng)過(guò)程中的陰極效應(yīng)使得氫原子進(jìn)入金屬試樣內(nèi)部。電解液為0.5 M H2SO4+0.25 g/L As2O3溶液，充氫溫度為室溫，試驗(yàn)所用材料為20g板材，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》沿板材軋制方向通過(guò)線切割加工成長(zhǎng)度120 mm，截面尺寸10 mm×2 mm的薄板拉伸試樣，試樣尺寸如圖2所示。試驗(yàn)前,首先對(duì)試樣進(jìn)行去污除銹處理;然后依次用不同型號(hào)的砂紙打磨及拋光處理;再用酒精溶液沖洗并吹干待用。

圖2　拉伸試樣尺寸

1.3　試驗(yàn)方法

(1)材料中氫含量的測(cè)試。由于氫擴(kuò)散滲入材料內(nèi)部會(huì)使其力學(xué)性能(如強(qiáng)度、塑性、韌性等)發(fā)生明顯變化。為了研究氫在20g材料中的擴(kuò)散規(guī)律及氫含量對(duì)20g材料力學(xué)性能的影響，在對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)充氫后，需要測(cè)量材料中可擴(kuò)散的氫含量。

由于充氫后試樣中可擴(kuò)散氫含量很少，目前常采用甘油法測(cè)氫裝置測(cè)量充氫后試樣中可擴(kuò)散氫含量，其試驗(yàn)原理如圖3所示。將充氫后的試樣放入充滿甘油且?guī)в锌潭鹊牟ＡЪ瘹夤軆?nèi)，試樣中的氫會(huì)逸出上升到集氣管的頂部，其頂部無(wú)液體區(qū)就是氫的體積，根據(jù)玻璃管上刻度讀出氫氣體積，然后換算成氫含量[8-9]。

(1)

式中CH——?dú)浜浚琺ol/cm3

T0——標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度，K，T0=273 K

T——試驗(yàn)溫度，K，T=298 K

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa，P0=0.101 MPa

P——實(shí)驗(yàn)室環(huán)境氣壓，MPa，P=0.101 MPa

Δv——擴(kuò)散氫的體積，mL

v——試樣體積，cm3

ρ——?dú)錃饷芏?，g/L,ρ=0.08988 g/L

M——?dú)湓幽栙|(zhì)量，g/mol,M=1 g/mol

圖3　氫含量測(cè)試試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)分為兩組：一組充氫時(shí)間72 h，充氫電流分別為0.1，0.2，0.3，0.4 A；另一組充氫電流為0.2 A，充氫時(shí)間分別為12，24，48，72 h。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，防止充氫后材料中氫逸出過(guò)多，氫含量測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試必須在充氫結(jié)束后立即進(jìn)行。試樣中氫含量測(cè)試時(shí)規(guī)定放氫時(shí)間不得少于240 h。

(2)充氫對(duì)20g鋼材力學(xué)性能的影響。為了測(cè)試氫對(duì)20g材料力學(xué)性能的影響，在拉伸試驗(yàn)之前需要預(yù)先對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行電化學(xué)充氫，試樣同樣分為兩組。

為避免試驗(yàn)誤差，防止充氫后試樣中氫原子逸出過(guò)多，將充氫后的每個(gè)試樣立即在INSTRON-8032動(dòng)態(tài)萬(wàn)能材料疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常溫拉伸性能測(cè)試。拉伸試驗(yàn)后，根據(jù)拉伸試驗(yàn)計(jì)算方法，計(jì)算材料的力學(xué)性能指標(biāo)(σb，σs，δ和ψ)。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　充氫電流和充氫時(shí)間對(duì)鋼中氫含量的影響

為了研究充氫電流和充氫時(shí)間對(duì)20g試樣中氫含量的影響，對(duì)兩組試樣進(jìn)行了電化學(xué)充氫試驗(yàn)。電化學(xué)充氫結(jié)束后，立即對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行了氫含量測(cè)試,由式(1)計(jì)算出每個(gè)試樣中的氫含量，得到試樣中氫含量隨充氫時(shí)間和充氫電流變化的規(guī)律。

由圖4,5可以看出，充氫電流和充氫時(shí)間的大小對(duì)試樣中可擴(kuò)散氫含量的影響較大。隨著充氫電流和充氫時(shí)間的增大，試樣中可擴(kuò)散氫含量增加，但是增加幅度逐漸變小。圖4中，當(dāng)電流為0.3 A時(shí)，材料中氫含量為0.2052 mol/cm3，趨于飽和狀態(tài)；繼續(xù)增大充氫電流，材料中可擴(kuò)散氫含量不再增加，這是因?yàn)殡S著充氫電流的增大，部分?jǐn)U散滲入材料中的氫原子在鋼材缺陷處聚集結(jié)合成氫分子，氫分子體積較大，在沒(méi)有足夠能量的情況下，氫分子難以從鋼材組織結(jié)構(gòu)中逸出。根據(jù)圖5，可以預(yù)測(cè)，當(dāng)充氫時(shí)間超過(guò)某一值后，延長(zhǎng)充氫時(shí)間并不能明顯提高鋼中可擴(kuò)散氫含量。根據(jù)Fick定律，隨著充氫時(shí)間的增加，鋼中氫濃度梯度逐漸減小，最終達(dá)到該溫度下的飽和溶解度。由此可知，在其余條件不變的情況下，充氫時(shí)間有一個(gè)臨界值，當(dāng)大于此值時(shí)，鋼中可擴(kuò)散氫含量不再增加，進(jìn)入鋼中的大量氫原子在夾雜等缺陷處聚集成氫分子，隨著氫分子體積的增大，鋼材表面會(huì)產(chǎn)生氫鼓泡或氫致裂紋。

圖4　鋼中氫含量CH隨充氫電流I的變化曲線

圖5　鋼中氫含量CH隨充氫時(shí)間t的變化曲線

在本次試驗(yàn)中，無(wú)論是充氫電流一定還是充氫時(shí)間一定，充氫后的試樣表面都有氫鼓泡產(chǎn)生。從圖6中可以看出，充氫電流的大小對(duì)試樣表面氫鼓泡的大小、形態(tài)及分布狀態(tài)有一定的影響。隨著充氫電流的增加，試樣表面氫鼓泡數(shù)量增多，鼓泡直徑增大，氫鼓泡分布越密集。

(a)充氫電流0.1 A，充氫時(shí)間72 h(b)充氫電流0.2 A，充氫時(shí)間72 h

(c)　充氫電流0.3 A，充氫時(shí)間72 h

(d)　充氫電流0.4 A，充氫時(shí)間72 h

2.2　充氫對(duì)20g鋼材力學(xué)性能的影響

2.2.1充氫對(duì)20g鋼材拉伸性能的影響

圖7　不同電流充氫后，抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs的

圖8　不同電流充氫后，拉伸率δ和斷面收縮率ψ的

通過(guò)電化學(xué)充氫的方法使氫原子吸附在金屬材料表面，材料表面的氫原子通過(guò)擴(kuò)散滲入鋼材內(nèi)部，從而影響材料的力學(xué)性能。

從圖7,8可以看出，試樣的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)隨氫含量的增加而降低，但是屈服強(qiáng)度降低幅度不大。也就是說(shuō)，試樣發(fā)生屈服和斷裂所需的應(yīng)力隨氫含量的增加而逐漸減少。這主要是因?yàn)闅浯龠M(jìn)局部塑性變形，微裂紋會(huì)在此處形核。當(dāng)氫濃度足夠大時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。

從圖9,10可以看出，試樣的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)隨氫含量的增加而降低，但是屈服強(qiáng)度降低幅度不大。

圖9　不同時(shí)間充氫后,試樣的抗拉強(qiáng)度σb和

圖10　不同時(shí)間充氫后，拉伸率δ和

上述兩組試驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)充氫后試樣的屈服強(qiáng)度雖然降低，但是降低幅度并不明顯，這主要是因?yàn)殡娀瘜W(xué)充氫時(shí)滲入鋼材內(nèi)部的氫原子會(huì)形成氫氣團(tuán)，使得試樣的屈服強(qiáng)度下降，而鋼中C,N等雜質(zhì)原子含量很高，在室溫下這些雜質(zhì)原子擴(kuò)散速率很低，它們形成的“柯氏氣團(tuán)”、第二相等使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而制約屈服強(qiáng)度的下降，因此屈服強(qiáng)度降低幅度不大。

2.2.2充氫對(duì)20g鋼材斷裂強(qiáng)度的影響

拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣在拉應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂，試樣至少分裂為兩部分。拉伸斷裂時(shí)的真應(yīng)力稱(chēng)為斷裂強(qiáng)度或斷裂真應(yīng)力，記為σf。試驗(yàn)時(shí)測(cè)出斷裂點(diǎn)的載荷Pf、試件斷裂時(shí)最小截面積Af，按下式計(jì)算斷裂時(shí)的平均真應(yīng)力，即平均斷裂強(qiáng)度值:

σf=Pf/Af

(2)

通常在拉伸試驗(yàn)中，不測(cè)定斷裂強(qiáng)度，而是由拉伸性能指標(biāo)估算斷裂強(qiáng)度[10]，即:

σf=σb(1+ψ)

(3)

式中ψ——斷面收縮率，%

斷裂延性值(斷裂真應(yīng)變)不能由試驗(yàn)直接測(cè)定，但可根據(jù)拉伸試驗(yàn)過(guò)程中不均勻塑性變形階段的真應(yīng)變值求得，即：

εf=-ln(1-ψ)

(4)

根據(jù)式(3),(4)，計(jì)算不同時(shí)間和不同電流充氫后20g鋼材的斷裂性能，其變化曲線如圖11~14所示。

圖11　不同時(shí)間充氫后20g鋼材斷裂強(qiáng)度σf變化曲線

由圖11~14可以看出，隨著充氫時(shí)間和充氫電流的增大，試樣中可擴(kuò)散氫含量增加，材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂延性也相應(yīng)下降，但是下降幅度逐漸減小。從圖11，12中可以看出，在充氫電流為0.2 A時(shí)，20g材料充氫75 h后，斷裂強(qiáng)度值降低約28%，斷裂延性值下降約72%。

圖12　不同時(shí)間充氫后20g鋼材斷裂延性εf變化曲線

圖13　不同電流充氫后20g鋼材斷裂強(qiáng)度σf變化曲線

圖14　不同電流充氫后20g鋼材斷裂延性εf變化曲線

上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)充氫時(shí)，氫原子進(jìn)入金屬晶格間隙，金屬材料塑性下降[11]，并且隨著試樣中可擴(kuò)散氫含量的增大，金屬材料塑性損失隨之增大，材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂延性值也相應(yīng)下降。

3結(jié)論

通過(guò)搭建加速滲氫試驗(yàn)裝置和氫含量測(cè)試裝置，對(duì)20g試樣進(jìn)行一系列電化學(xué)充氫試驗(yàn)，對(duì)充氫后的試樣進(jìn)行氫含量測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試，得出以下結(jié)論。

(1)充氫電流和充氫時(shí)間對(duì)試樣中可擴(kuò)散氫含量的影響較大。隨著充氫電流和充氫時(shí)間的增大，氫越容易向材料內(nèi)部滲透擴(kuò)散，進(jìn)入試樣中的氫含量就越多，但到達(dá)一定程度時(shí)會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，此后鋼中可擴(kuò)散氫含量不再增加，進(jìn)入鋼中的大量氫原子在夾雜等缺陷處聚集成氫分子，隨著氫濃度的增大，鋼材表面會(huì)產(chǎn)生不可逆氫損傷(氫鼓泡或氫致裂紋)的程度增大。

(2)材料的強(qiáng)度和塑性隨氫含量的上升而下降，隨著氫濃度的增大，鋼材的氫損傷程度也越嚴(yán)重；當(dāng)充氫電流或充氫時(shí)間達(dá)到一定程度時(shí)，材料將發(fā)生脆性斷裂。

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Research of Hydrogen Diffusion Regularity and Effect of Hydrogen

on Material Mechanics Behaviors of 20g

WANG He-hui,FENG Ya-juan,HOU Feng

(School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

Abstract:Electrochemical hydrogen charging device and measurement of the released hydrogen device were set up.Hydrogen diffusion regularity of 20g material and the influence of hydrogen on material mechanics behavior were researched.The results showed that hydrogen in the steel induced decline of strength and plasticity with the increase of hydrogen,but the yield strength does not decrease significantly.When charging current and time reached to a certain extent,the diffused hydrogen content in the steel no longer increased,the hydrogen atoms formed hydrogen molecules at some defects such as inclusions.With the increase of hydrogen concentration,the hydrogen damage degree of steel becomes serious.

Key words:20g;electrochemical hydrogen charging;hydrogen diffusion;mechanical behaviors

通訊作者：侯峰(1969-)，男，副教授，主要從事石化裝備腐蝕與防護(hù)技術(shù)工作，

作者簡(jiǎn)介：王和慧(1969-)，男，副教授,主要研究方向?yàn)橛邢拊治鲈O(shè)計(jì)，

通信地址：200237上海市徐匯區(qū)梅隴路130號(hào)華東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，E-mail：hhwang@ecust.edu.cn。 200237上海市徐匯區(qū)梅隴路130號(hào)華東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，E-mail：hou@ecust.edu.cn。

收稿日期：2015-09-08修稿日期：2015-11-28

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.001

中圖分類(lèi)號(hào)：TH142；TG172.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4837(2015)12-0001-06