氫進(jìn)入鋼鐵內(nèi)部是其發(fā)生氫脆的前提,而氫在管線鋼表面經(jīng)歷物理吸附、解離、化學(xué)吸附、擴(kuò)散一系列過程才能進(jìn)入管線鋼內(nèi)部,其中氫原子的化學(xué)吸附以及氫擴(kuò)散是關(guān)鍵步驟。綜述了氫在鋼鐵表面吸附、擴(kuò)散的研究方法、成果,展望了氫吸附以及氫擴(kuò)散的研究方向。目前研究氫吸附的主流方法是第一性原理計(jì)算。在氫擴(kuò)散研究方面,試驗(yàn)研究能夠分析鋼鐵組織、相、宏觀尺度因素變化對(duì)氫擴(kuò)散的影響;有限元、分子力學(xué)、第一性原理多種尺度模擬計(jì)算可以分析微區(qū)結(jié)構(gòu)變化對(duì)擴(kuò)散的影響。氫在表面的吸附以及表層原子的擴(kuò)散對(duì)氫脆有重要影響,但氫原子在鋼鐵表面的吸附以及表層擴(kuò)散主要集中在無缺陷的αFe表面。氫與缺陷的相互作用研究主要集中在體相內(nèi)部,鋼鐵表面狀態(tài)的變化對(duì)氫吸附以及表層擴(kuò)散的影響相關(guān)報(bào)道較少。需進(jìn)一步開展在含缺陷鋼鐵表面的氫吸附研究,闡釋表面應(yīng)力、位錯(cuò)、晶界、相界、合金元素等因素對(duì)氫吸附、表層區(qū)域氫擴(kuò)散的影響機(jī)理。

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圖1氫分子擴(kuò)散進(jìn)入管線鋼示意圖

輸氫管線中的氫分子做無規(guī)則、無間歇的布朗運(yùn)動(dòng)。氫不能以分子形態(tài)進(jìn)入金屬內(nèi)部，當(dāng)氫分子與管線鋼內(nèi)表面接觸時(shí)，氫分子被吸附到管線鋼的表面，然后在表面進(jìn)一步解離成為原子氫[14]。氣態(tài)氫分子進(jìn)入管線鋼的過程如圖1所示。氫分子通過以下步驟進(jìn)入管線鋼：1）氫分子做無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，和管線鋼....

圖2Fe(110)面原子排列及表面高對(duì)稱點(diǎn)[22]

管線鋼的主要相結(jié)構(gòu)是體心立方結(jié)構(gòu)的αFe。低指數(shù)表面具有較低的表面能，F(xiàn)e(110)面是αFe的密排面，具有最低的表面能[18-20]，是平衡凝固過程中最容易暴露的表面。管線鋼在軋制過程中，晶粒擇優(yōu)取向，大量晶粒的(110)晶面平行于軋制表面[21]。在αFe表面吸附的研究主要集....

圖3電化學(xué)氫滲透試驗(yàn)裝置[36]

氫滲透法是利用氫從一側(cè)進(jìn)入試樣，在試樣內(nèi)部擴(kuò)散，從另一側(cè)逸出，分析氫擴(kuò)散系數(shù)的方法。按照氫的來源，氫滲透法分為電化學(xué)氫滲透和氣相氫滲透。電化學(xué)氫滲透試驗(yàn)利用圖3[36]所示的Devnathan-Stachurski雙電解池氫滲透裝置進(jìn)行。圖3中右側(cè)是充氫室，試樣右側(cè)表面為陰極，通....

圖4H原子擴(kuò)散進(jìn)入γFe(111)面[51]

第一性原理計(jì)算是指基于量子力學(xué)理論的計(jì)算方法，通過求解體系粒子的波函數(shù)，分析體系的力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等性質(zhì)。第一性原理計(jì)算采用過渡態(tài)結(jié)構(gòu)搜索方法，計(jì)算H原子擴(kuò)散路徑與擴(kuò)散能壘，分析速率控制步驟以及晶體結(jié)構(gòu)、應(yīng)變、缺陷等的影響。吸附在表面的H原子不是直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)入αFe內(nèi)部，而是由吸附....

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