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第2期 任学冲等：MS夹杂对钢中氢扩散行为的影响 .233. 透曲线 共有5812个单元.使用暂态过程分析(transient 实验用Solartron1287电化学测量仪恒电位模 analysis)方法，采用第一类边界条件，即在图l(a)的 式，设定好参数后，使阳极残余电流I。小于1A,设 左侧设定氢质量分数为10一6，在右侧设定氢质量分 定充氢电流密度并记录数据，在充氢槽加入溶液， 数为0.结果提取右侧边界上总的氢流量. 这时，电流随着时间的增大而增大，直至电流不再变 (a) (b) 化为止，记录下阳极电流随时间的变化曲线，在阳 极电流时间曲线上找到L,/1=0.63所对应的时 间68，采用式D-心计算扩散系数其中L 二 为试样厚度，cm;I为饱和阳极电流，A·为防止试 样在碱液中的腐蚀或钝化.一般均需在试样的扩散 面进行镀N(或Pd)后再进行氢渗透实验，镀层厚度 图1计算模型示意图·(a)第二相与氢渗透方向平行，(b)第二 约0.1~0.2m,其厚度远小于基体厚度，氢在试样 相与氢渗透方向垂直 中的扩散行为不会受到很大的影响，样品从镀N Fig-1 Sketch map of the computation model:(a)inclusions paral- 液中取出后，立即用去离子水和酒精清洗表面附着 lel to the direction of permeation:(b)inclusions perpendicular to 的镍液，以免镍层被氧化，单面镀镍的样品是将双 the direction of permeation 面镀好镍的样品的其中一面保护好，另一面用 1000*砂纸将镍层磨去 实验用材料为四种不同$含量的真空冶炼洁净 钢，成分如表1所示.试样只改变$含量，生成不同 含量的MnS夹杂，铸坯在1280℃锻造，锻造比为 1:10.试样在锻坯上截取，一部分试样表面与锻坯 伸长方向垂直，以保证硫化物伸长方向与氢渗透方 向一致；另一部分试样表面与锻坯伸长方向平行，使 硫化物伸长方向与氢渗透方向垂直，试样为厚约 图2模型中第二相局部网格划分 0.9mm,直径17mm的圆片，试样单面镀镍后在 Fig-2 Mesh in a part of the model 0.1mAcm2电流密度下进行充氢， 表1不同S含量试样的成分（质量分数） 2结果与讨论 Table 1 Composition of specimens with different S contents 号 2.1氢渗透实验结果 由氢渗透实验测得的不同硫化物含量的氢表观 试样号 C Si Mn S Cr Al 1 0.570.230.730.0080.0140.18<0.01 扩散系数如图3所示，由图可见，当MnS长度方向 2 0.600.25 0.730.0120.0150.17<0.01 与氢渗透方向平行时，氢的表观扩散系数随$含量 的增加而增加；当MnS长度方向与氢渗透方向垂直 3 0.480.230.740.0240.0150.18<0.01 时，氢的表观扩散系数随$含量的增加而降低，并且 40.580.240.730.0310.0130.18<0.01 扩散系数的对数与S含量的对数近似线性关系， 1.2有限元模拟方法 2.2有限元模拟结果 本计算使用ABAQUS有限元计算程序.采用 当变形后的夹杂物与氢渗透方向平行时，即如 二维模型，试样宽度为0.lcm,在基体中嵌入具有不 图1(a)所示，计算结果如图4所示.图中曲线a为 同氢扩散系数和不同溶解度的第二相，如图1.第二 第二相的扩散系数DⅡ和溶解度CⅡ与基体的扩散 相的长度为试样宽度的1/2，第二相宽度为其自身 系数DI和溶解度C,相同时的氢渗透曲线，即相当 长度的1/10.分别计算了第二相与氢渗透方向平行 于没有第二相存在时的情况，设定基体的扩散系数 和垂直的两种情况，分别如图1(a)和(b)所示，计算 D1和溶解度C1分别为1.0×10-5cm2·s1和 中第二相附近的网格划分如图2所示，图中A区为 1.0×10-6.由图4中氢渗透曲线a用滞后时间法 第二相.采用传质分析DC2D8网格单元类型，模型 得出的氢扩散系数为9.50×106cm2s1,与理论透曲线． 实验用 Solartron1287电化学测量仪恒电位模 式设定好参数后使阳极残余电流 Ia 小于1μA设 定充氢电流密度并记录数据．在充氢槽加入溶液． 这时电流随着时间的增大而增大直至电流不再变 化为止记录下阳极电流随时间的变化曲线．在阳 极电流—时间曲线上找到 Ia／I∞＝0∙63所对应的时 间 t0∙63采用式 D＝ L 2 6t0∙63 计算扩散系数．其中 L 为试样厚度cm；I∞为饱和阳极电流μA．为防止试 样在碱液中的腐蚀或钝化．一般均需在试样的扩散 面进行镀 Ni（或Pd）后再进行氢渗透实验镀层厚度 约0∙1～0∙2μm．其厚度远小于基体厚度氢在试样 中的扩散行为不会受到很大的影响．样品从镀 Ni 液中取出后立即用去离子水和酒精清洗表面附着 的镍液以免镍层被氧化．单面镀镍的样品是将双 面镀好镍的样品的其中一面保护好另一面用 1000＃砂纸将镍层磨去． 实验用材料为四种不同 S 含量的真空冶炼洁净 钢成分如表1所示．试样只改变 S 含量生成不同 含量的 MnS 夹杂．铸坯在1280℃锻造锻造比为 1∶10．试样在锻坯上截取一部分试样表面与锻坯 伸长方向垂直以保证硫化物伸长方向与氢渗透方 向一致；另一部分试样表面与锻坯伸长方向平行使 硫化物伸长方向与氢渗透方向垂直．试样为厚约 0∙9mm直径17mm 的圆片试样单面镀镍后在 0∙1mA·cm —2电流密度下进行充氢． 表1 不同 S 含量试样的成分（质量分数） Table1 Composition of specimens with different S contents ％ 试样号 C Si Mn S P Cr Al 1 0∙57 0∙23 0∙73 0∙008 0∙014 0∙18 ＜0∙01 2 0∙60 0∙25 0∙73 0∙012 0∙015 0∙17 ＜0∙01 3 0∙48 0∙23 0∙74 0∙024 0∙015 0∙18 ＜0∙01 4 0∙58 0∙24 0∙73 0∙031 0∙013 0∙18 ＜0∙01 1∙2 有限元模拟方法 本计算使用 ABAQUS 有限元计算程序．采用 二维模型试样宽度为0∙1cm在基体中嵌入具有不 同氢扩散系数和不同溶解度的第二相如图1．第二 相的长度为试样宽度的1／2第二相宽度为其自身 长度的1／10．分别计算了第二相与氢渗透方向平行 和垂直的两种情况分别如图1（a）和（b）所示．计算 中第二相附近的网格划分如图2所示图中 A 区为 第二相．采用传质分析 DC2D8网格单元类型模型 共有5812个单元．使用暂态过程分析（transient analysis）方法采用第一类边界条件即在图1（a）的 左侧设定氢质量分数为10—6在右侧设定氢质量分 数为0．结果提取右侧边界上总的氢流量． 图1 计算模型示意图．（a） 第二相与氢渗透方向平行（b） 第二 相与氢渗透方向垂直 Fig．1 Sketch map of the computation model： （a） inclusions parallel to the direction of permeation；（b） inclusions perpendicular to the direction of permeation 图2 模型中第二相局部网格划分 Fig．2 Mesh in a part of the model 2 结果与讨论 2∙1 氢渗透实验结果 由氢渗透实验测得的不同硫化物含量的氢表观 扩散系数如图3所示．由图可见当 MnS 长度方向 与氢渗透方向平行时氢的表观扩散系数随 S 含量 的增加而增加；当 MnS 长度方向与氢渗透方向垂直 时氢的表观扩散系数随 S 含量的增加而降低并且 扩散系数的对数与 S 含量的对数近似线性关系． 2∙2 有限元模拟结果 当变形后的夹杂物与氢渗透方向平行时即如 图1（a）所示计算结果如图4所示．图中曲线 a 为 第二相的扩散系数 DⅡ和溶解度 CⅡ与基体的扩散 系数 DⅠ和溶解度 CⅠ相同时的氢渗透曲线即相当 于没有第二相存在时的情况．设定基体的扩散系数 DⅠ 和溶解度 CⅠ 分别为 1∙0×10—5 cm 2·s —1和 1∙0×10—6．由图4中氢渗透曲线 a 用滞后时间法 得出的氢扩散系数为9∙50×10—6 cm 2·s —1与理论 第2期 任学冲等： MnS 夹杂对钢中氢扩散行为的影响 ·233·