D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.02.052 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 MnS夹杂对钢中氢扩散行为的影响 任学冲褚武扬李金许乔利杰 宿彦京 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要通过实验和有限元计算研究了MnS夹杂对钢中氢扩散行为的影响，结果表明：当MS夹杂长度取向与氢渗透方向 平行时，氢在钢中的表观扩散系数随MS含量的增加而增加：当MS夹杂长度取向与氢渗透方向垂直时，氢在钢中的表观扩 散系数随MS含量的增加而降低.对于具有扩散通道效应和陷阱效应的第二相，它对氢扩散的影响取决于扩散通道效应和 陷阱效应的强弱以及第二相的形状，数量和取向· 关键词钢：氢；扩散：MnS夹杂 分类号TB302.1 氢在金属中的扩散是一个复杂的行为，受很多 的主要通道.Chou等14研究了两种不同S含量低 因素的影响，比如晶体结构、组织形态、夹杂、第二相 碳钢中的氢行为，发现S含量较高的试样中氢含量 以及塑性变形导致的位错和孔洞等，这些影响因素 较高，但氢渗透率和扩散系数均较低，Iio「]和 中除晶体结构外，其余可归结为材料中氢陷阱对氢 Garet等Io]的结果表明硫含量的增加使氢的表观扩 扩散性能的影响，Oriani)在总结了大量前人工作 散系数降低.Pumphrey门系统研究了MnS夹杂对 的基础上，提出氢的有效扩散系数是材料中氢陷阱 氢渗透和扩散的影响，发现MS夹杂的含量和取向 密度和陷阱深度的函数，Mcnabb☑从理论上修正 对氢扩散和渗透有明显的影响，当条状硫化物夹杂 了Fick定律来描述氢在陷阱存在的情况下的扩散 与试样表面垂直时氢渗透率和扩散系数随硫化物含 规律.但是这些陷阱对氢扩散的影响是很复杂的， 量的增加而增加，氢的渗透率比平行时提高5~20 比如位错核心是氢的强陷阱，它能吸引并捕获 倍。Evas等18的研究表明钢中非金属夹杂物对氢 氢.Bastien和Azou提出氢在位错中的扩散远快 表观扩散系数的影响取决于夹杂物的种类、含量和 于在晶格中，Donovan的实验证实变形后的Arm- 热处理状态，对铸态试样，硫含量高的试样的表观 co铁中氢的释放速率比变形前高了4倍. 扩散系数略低；而对高温退火试样则相反，所有这 Kurkela6发现，形变后的Ni表观扩散系数提高了5 些结果表明，有些缺陷，如位错、晶界和夹杂物，它们 个数量级，从而认为位错能对氢有输运作用，但他 对氢扩散行为的影响是多方面的：一方面，它们是氢 对全贝氏体钢在塑性变形过程中的氢渗透实验结果 的陷阱；另一方面它们又是氢扩散的通道.实验结 表明门，位错仅起到氢陷阱的作用，从而降低了氢 果的不一致很可能来自实验条件的不同，使得这些 渗透率。关于晶界对氢扩散的影响与位错类似，有 具有相同本质的事物表现出自相矛盾现象.本文通 人认为氢沿晶界扩散较晶格内快，并且银元素沿铜 过实验和有限元模拟研究了氢在具有不同取向和含 晶界的快扩散已被实验所证实].Pressouyre9]和 量夹杂物的钢中的扩散行为，目的是揭示具有氢陷 Asaoka等10]的工作表明晶界也是氢的强陷阱，它能 阱和通道双重效应的夹杂物对氢扩散行为的影响， 吸引并捕获氢，随晶粒度增加，关于氢的扩散系数 不同作者得到不一致的结果]. 1 实验与有限元模拟方法 Lum3研究了不同Mn,S含量低碳钢中氢的扩 1.1氢渗透实验方法 散系数，发现在Mn、S含量均较高的钢中，氢的扩散 实验采用双电解槽电化学渗透方法测定氢在车 系数大大降低，但试样中氢含量增加，氢微印法表明 轮钢中的扩散行为.充氢槽电解液为0.5mlL-1 MS和基体的界面是氢的强陷阱同时又是氢扩散 H2S04十0.25gL-As203的混合溶液，扩氢槽电解 收稿日期：2006-10-14修回日期：2007-01-10 液为0.2molL1Na0H溶液.利用恒电位仪在扩 基金项目：国家自然科学基金项目资助(N。·50471096) 散面给定一个较高的恒电位（相对参比电极为 作者简介：任学冲(1978一)：男，博士研究生；褚武扬(1938一)，男， 教授，博士生导师 十0.3V),记录阳极电流与时间的关系曲线，即氢渗MnS 夹杂对钢中氢扩散行为的影响 任学冲 褚武扬 李金许 乔利杰 宿彦京 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 摘 要 通过实验和有限元计算研究了 MnS 夹杂对钢中氢扩散行为的影响．结果表明：当 MnS 夹杂长度取向与氢渗透方向 平行时‚氢在钢中的表观扩散系数随 MnS 含量的增加而增加；当 MnS 夹杂长度取向与氢渗透方向垂直时‚氢在钢中的表观扩 散系数随 MnS 含量的增加而降低．对于具有扩散通道效应和陷阱效应的第二相‚它对氢扩散的影响取决于扩散通道效应和 陷阱效应的强弱以及第二相的形状、数量和取向． 关键词 钢；氢；扩散；MnS 夹杂 分类号 TB302∙1 收稿日期：20061014 修回日期：20070110 基金项目：国家自然科学基金项目资助（No．50471096） 作者简介：任学冲（1978—）‚男‚博士研究生；褚武扬（1938—）‚男‚ 教授‚博士生导师 氢在金属中的扩散是一个复杂的行为‚受很多 因素的影响‚比如晶体结构、组织形态、夹杂、第二相 以及塑性变形导致的位错和孔洞等‚这些影响因素 中除晶体结构外‚其余可归结为材料中氢陷阱对氢 扩散性能的影响．Oriani ［1］在总结了大量前人工作 的基础上‚提出氢的有效扩散系数是材料中氢陷阱 密度和陷阱深度的函数．Mcnabb ［2］ 从理论上修正 了 Fick 定律来描述氢在陷阱存在的情况下的扩散 规律．但是这些陷阱对氢扩散的影响是很复杂的． 比如位错核心是氢的强陷阱［3—4］‚它能吸引并捕获 氢．Bastien 和 Azou ［3］提出氢在位错中的扩散远快 于在晶格中．Donovan ［5］的实验证实变形后的 Arm￾co 铁 中 氢 的 释 放 速 率 比 变 形 前 高 了 4 倍． Kurkela ［6］发现‚形变后的 Ni 表观扩散系数提高了5 个数量级‚从而认为位错能对氢有输运作用．但他 对全贝氏体钢在塑性变形过程中的氢渗透实验结果 表明［7］‚位错仅起到氢陷阱的作用‚从而降低了氢 渗透率．关于晶界对氢扩散的影响与位错类似‚有 人认为氢沿晶界扩散较晶格内快‚并且银元素沿铜 晶界的快扩散已被实验所证实［8］．Pressouyre ［9］ 和 Asaoka 等［10］的工作表明晶界也是氢的强陷阱‚它能 吸引并捕获氢．随晶粒度增加‚关于氢的扩散系数 不同作者得到不一致的结果［11—12］． Luu ［13］研究了不同 Mn、S 含量低碳钢中氢的扩 散系数‚发现在 Mn、S 含量均较高的钢中‚氢的扩散 系数大大降低‚但试样中氢含量增加‚氢微印法表明 MnS 和基体的界面是氢的强陷阱同时又是氢扩散 的主要通道．Chou 等［14］研究了两种不同 S 含量低 碳钢中的氢行为‚发现 S 含量较高的试样中氢含量 较高‚但氢渗透率和扩散系数均较低．Iino ［15］ 和 Garet 等［16］的结果表明硫含量的增加使氢的表观扩 散系数降低．Pumphrey ［17］系统研究了 MnS 夹杂对 氢渗透和扩散的影响‚发现 MnS 夹杂的含量和取向 对氢扩散和渗透有明显的影响‚当条状硫化物夹杂 与试样表面垂直时氢渗透率和扩散系数随硫化物含 量的增加而增加‚氢的渗透率比平行时提高5～20 倍．Evans 等［18］的研究表明钢中非金属夹杂物对氢 表观扩散系数的影响取决于夹杂物的种类、含量和 热处理状态．对铸态试样‚硫含量高的试样的表观 扩散系数略低；而对高温退火试样则相反．所有这 些结果表明‚有些缺陷‚如位错、晶界和夹杂物‚它们 对氢扩散行为的影响是多方面的：一方面‚它们是氢 的陷阱；另一方面它们又是氢扩散的通道．实验结 果的不一致很可能来自实验条件的不同‚使得这些 具有相同本质的事物表现出自相矛盾现象．本文通 过实验和有限元模拟研究了氢在具有不同取向和含 量夹杂物的钢中的扩散行为‚目的是揭示具有氢陷 阱和通道双重效应的夹杂物对氢扩散行为的影响． 1 实验与有限元模拟方法 1∙1 氢渗透实验方法 实验采用双电解槽电化学渗透方法测定氢在车 轮钢中的扩散行为．充氢槽电解液为0∙5mol·L —1 H2SO4＋0∙25g·L —1As2O3 的混合溶液‚扩氢槽电解 液为0∙2mol·L —1 NaOH 溶液．利用恒电位仪在扩 散面给定一个较高的恒电位 （相对参比电极为 ＋0∙3V）‚记录阳极电流与时间的关系曲线‚即氢渗 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．052