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閱讀：8發(fā)布時(shí)間：2024-8-14
鋼中微量氫測(cè)定儀
自古以來(lái)人們就認(rèn)識(shí)到在大氣以及各種環(huán)境下服役的鋼材會(huì)發(fā)生腐蝕和突然氫脆失效。自古以來(lái)人們也就開(kāi)始研究氫含量，氫存在狀態(tài)等和氫脆的相關(guān)性。如金屬所所任所長(zhǎng)李熏院士在1937-1940年留學(xué)英國(guó)雪菲爾德大學(xué)時(shí)的博士研究方向就是氫5脆。可見(jiàn)關(guān)16于氫脆研究的理論和實(shí)踐等方面的重要意義。
隨著人們對(duì)汽車輕量化，長(zhǎng)壽命的追求，人們將越來(lái)越多地使用高強(qiáng)度鋼。再者隨著人們對(duì)燃料電池清潔能源和氫發(fā)動(dòng)機(jī)的渴求，人類將逐漸進(jìn)入大量使用氫的社會(huì)。這使得氫社會(huì)氫安全性問(wèn)題研究變得迫切。因此各國(guó)數(shù)十年來(lái)一直投入大量人力物力開(kāi)展氫脆的研究。
研究氫脆的進(jìn)展往往和科學(xué)假說(shuō)以及研究手段息息相關(guān)。歷有很多實(shí)驗(yàn)和氫有關(guān)，LECO標(biāo)準(zhǔn)試樣可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量氫總量，對(duì)氫脆研究就是一大貢獻(xiàn)。然而漸漸滿足不了人類對(duì)氫脆研究的需求。因?yàn)樗麩o(wú)法解決樣品加工帶來(lái)氫的逃逸、大樣品或零件無(wú)法直接測(cè)試、無(wú)法得到不同溫度下氫的含量與狀態(tài)等長(zhǎng)期困擾人們的問(wèn)題
日本在上個(gè)世紀(jì)90年左右提出鋼材中氫可以分為擴(kuò)散氫和非擴(kuò)散氫的概念并由此研發(fā)出可以分別準(zhǔn)確定量測(cè)量鋼材中非擴(kuò)散氫和擴(kuò)散氫的裝置TDA。TDA是日本JSL（日本科學(xué)實(shí)驗(yàn)室）公司與時(shí)俱進(jìn)和日本金屬材料研究機(jī)構(gòu)-共同研究，始用于高強(qiáng)螺栓氫脆研究進(jìn)而逐漸變成測(cè)量不同溫度下氫含量分布的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)氫裝置。進(jìn)一步發(fā)展成為集測(cè)定總氫含量、擴(kuò)散氫含量、非擴(kuò)散氫含量，氫含量——溫度曲線圖于一身，解決了測(cè)氫領(lǐng)域“樣品加工帶來(lái)氫的逃逸、大樣品或零件無(wú)法直接測(cè)試、無(wú)法得到不同溫度下氫的含量與狀態(tài)"等長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)、研發(fā)人員在鋼材生產(chǎn)、研發(fā)、使用過(guò)程中控制氫含量提供更具針對(duì)性的檢測(cè)數(shù)據(jù)，為高強(qiáng)度、耐氫脆，耐腐蝕鋼等產(chǎn)品的研發(fā)提供可靠依據(jù)。
借助于此裝置可以詳細(xì)研究擴(kuò)散和非擴(kuò)散氫的各個(gè)過(guò)程以及相互轉(zhuǎn)換。其功能類似于電子顯微鏡的發(fā)明為研究位錯(cuò)指明了方向。因?yàn)殡娮语@微鏡可以真實(shí)觀察到位錯(cuò)而不是發(fā)明前的科學(xué)假說(shuō)推測(cè)位錯(cuò)的存在。TDA可以明確地把影響氫脆的擴(kuò)散氫和影響不大的非擴(kuò)散氫區(qū)別出來(lái)也同樣是研究氫脆和腐蝕的劃時(shí)代的發(fā)明。
該裝置從研發(fā)到開(kāi)始商業(yè)推廣花費(fèi)10余年，一經(jīng)商業(yè)推廣就受到日本以及各國(guó)金屬研究所，鋼鐵公司的青睞。日本幾大鋼鐵企業(yè)，等都在使用TDA開(kāi)展各種研究。
概括說(shuō)來(lái)TDA主要有2個(gè)大方面的應(yīng)用。
一． TDA除了可以用于檢測(cè)鋼材中氫的總含量外，主要
用于準(zhǔn)確分辨鋼材中擴(kuò)散氫和非擴(kuò)撒氫的含量和氫的狀態(tài)。
人們一般認(rèn)為氫脆起源于鋼鐵夾雜物或晶界或界面。（１-5）由于擴(kuò)散氫的激活能較低，通常Ea＝27KJ/mol,所以擴(kuò)散氫擴(kuò)散聚集導(dǎo)致氫濃度超過(guò)其極限數(shù)值Hc從而導(dǎo)致脆性斷裂。（6-12）而非擴(kuò)散氫則由于脫離缺陷陷阱的激活能要大得多，通常Ea＝73KJ/mol。不發(fā)生擴(kuò)散，所以對(duì)產(chǎn)生氫脆沒(méi)有貢獻(xiàn)。
進(jìn)一步研究表明，通常擴(kuò)散氫純存在于位錯(cuò)的彈性應(yīng)變區(qū)。而非擴(kuò)散氫存在于鐵素體/滲碳體界面堆積位錯(cuò)中或存在于微細(xì)化滲碳體中。這種非擴(kuò)散氫在靜載荷作用下是不會(huì)被激活的，但是在交變應(yīng)力和能量的反復(fù)作用下會(huì)從深度能阱被激活為擴(kuò)散氫從而導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低最后導(dǎo)致氫脆。
還表明，即使同一材料，當(dāng)樣品狀態(tài)不同，比如有無(wú)缺口，缺口深度大小，FIB等切口形狀，應(yīng)力集中系數(shù)大小，線材變形量，組織微細(xì)化程度，氫脆敏感度，是否充氫，充氫后是否退火，退火溫度和時(shí)間等不同，這種非擴(kuò)散氫被激活或安定化程度都會(huì)變化。當(dāng)然也都會(huì)反應(yīng)到實(shí)際情況下非擴(kuò)散氫和氫脆的關(guān)系。
二． ＴＤA用于檢測(cè)環(huán)境導(dǎo)致的氫浸入量HE
比如，由高壓氫氛圍導(dǎo)致的氫浸入以及大氣或腐蝕環(huán)境導(dǎo)入的氫浸入。具體可以分類如下。
2-1 高壓氫氛圍導(dǎo)致氫浸入和氫脆關(guān)系
2-2 雨，大氣中水，水溶液，腐蝕液體等導(dǎo)致氫浸入和氫脆關(guān)系。使用環(huán)境應(yīng)力種類（靜載荷還是交變載荷）和大小，溫度，濕度，是否充氫，是否退火，退火溫度時(shí)間等和相關(guān)性。
2-3 酸洗過(guò)程導(dǎo)致氫浸入
2-4 鍍鋅等各種鍍層實(shí)施過(guò)程導(dǎo)致氫浸入
2-5 噴水過(guò)程去氧化皮等過(guò)程導(dǎo)致氫浸入
2-6 焊接過(guò)程導(dǎo)致氫浸入
2-7 熱處理淬火過(guò)程導(dǎo)致氫浸入
2-8 電解過(guò)程等導(dǎo)致氫浸入
2-9 電解過(guò)程等導(dǎo)致氫浸入
如果按照研究鋼種來(lái)看，至少如下鋼種的已經(jīng)被研究過(guò)。
Ａ。高強(qiáng)螺栓用鋼
Ｂ。高強(qiáng)斜拉橋鋼（以及鍍鋅穩(wěn)定化處理前后ＴＤＳ實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)附圖。）
Ｃ。汽車鋼板
Ｄ。普碳鋼材
Ｅ。高壓容器用合金鋼
Ｆ。不銹鋼
Ｇ。軋輥用鋼（以及退貨工藝和氫脆關(guān)系）
Ｇ。
綜上所說(shuō)，為了防止鋼材氫脆應(yīng)該從材料和環(huán)境2個(gè)方面來(lái)考慮對(duì)策。
1.材料方面 盡可能減少碳化物和晶界偏析，使得氫總量荊軻能少。在同樣總氫含量條件下盡可能使得非擴(kuò)散氫占更多量。盡可能形成更多更深的非擴(kuò)散氫陷阱，盡可能使擴(kuò)散氫變成非擴(kuò)散氫。以使得他們難以導(dǎo)致氫脆。
2.環(huán)境方面 控制高壓容器壓力等各種參數(shù)以減少氫浸入量?？刂聘g表面反應(yīng)使得環(huán)境腐蝕引起的氫進(jìn)入量HE盡可能少。
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