已有大量文獻(xiàn)報道了材料組織結(jié)構(gòu)對氫在鋼中擴(kuò)散系數(shù)的影響，雖然這些文獻(xiàn)研究結(jié)果并不是完全一致，但是研究結(jié)果的總趨熱表明H在鋼中擴(kuò)散系數(shù)在鋼的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分有著密切聯(lián)系，即當(dāng)材料的主要化學(xué)成分一定時，H在屬中的擴(kuò)散是一種組織結(jié)構(gòu)敏感特性。浙江至德鋼業(yè)有限公司以不同的固溶處理方式對2205雙相不銹鋼和2507雙相不銹鋼進(jìn)行固溶處理，以改變其組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究組織結(jié)構(gòu)對雙相不銹鋼氫擴(kuò)散系數(shù)的影響。
對于鋼材氫擴(kuò)散系數(shù)的計算，可以采用如下計算公式：
式中：D(cm/s)為氫在鋼材試樣中的擴(kuò)散系數(shù)；L(mm)為氫滲透試樣薄膜的厚度：從標(biāo)準(zhǔn)鋼材氫滲透曲線圖（圖6.2)可知，tb為第一個氫原子開始從氫滲透薄膜試樣的陰極面滲透到陽極面的時間，即氫滲透曲線上陽極電流開始上升的時間，tlag定義為氫滲透曲線上陽極電流密度為穩(wěn)態(tài)電流密度（i)0.63時的時間，tlag即陽極電流（ia)=0.63(i)時的時間。因為2507 雙相不銹鋼是一種超級雙相不銹鋼，對其氫滲透行為的測量在技術(shù)上比較困難，尤其是測試周期較長，通常需要幾個星期的時間，進(jìn)而導(dǎo)致獲得穩(wěn)態(tài)電流比較困難，所以本節(jié)采用式（6.1)進(jìn)行計算2507雙相不銹鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)。已有學(xué)者證實了式（6.1)及式（6.2)這兩種方法都是可行的，計算所得氫擴(kuò)散系數(shù)（D)結(jié)果相當(dāng)。
2205雙相不銹鋼經(jīng)不同固溶處理后，雙相不銹鋼在0.4M HCl溶液中的氫診透曲線如圖6.3所示。
根據(jù)氫滲透曲線，由式（6.1)計算氫的擴(kuò)散系數(shù)。
從圖6.3中可以看出，950℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的tb為65733s,1000℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的tb為56115s,1050℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的tb為的205,1100C/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的tb為41332s。并且，當(dāng)擴(kuò)散時間較長時（大于150000s,此時，雙相不銹鋼內(nèi)部氫原子基本達(dá)到飽和），隨著固溶處理溫度的升高，雙相不銹鋼在溶液中的電流密度呈現(xiàn)上升的趨勢。
根據(jù)公式D=L2/(15.3t6),可以得到：不同固溶處理后的2205雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的氫擴(kuò)散系數(shù)曲線圖如圖6.4所示。
圖6.4 不同固溶處理后的2205雙相不銹鋼在0.4M HCl溶液中的氫擴(kuò)散系數(shù)曲線圖從圖6.4中可以看出，950℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCl溶液中的擴(kuò)散系數(shù)D為8.949×10-14㎡/s,1000℃/30min固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCl溶液中的擴(kuò)散系數(shù)D為1.048×10-13㎡/s,1050℃/30min 固溶處理的雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的擴(kuò)散系數(shù)D為1.181×10-13㎡/s,1100℃/30min 固溶處理雙相不銹鋼在0.4M HCI溶液中的擴(kuò)散系數(shù)D為1.431×10-13㎡/s.不難看出，隨著固溶處理溫度的升高，雙相不銹鋼在0.4MHCI溶液中的擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢。而雙相不銹鋼中鐵素體百分比隨著固溶處理溫度的升高，也呈現(xiàn)升高的趨勢，說明雙相不銹鋼在溶液中的氫擴(kuò)散系數(shù)隨著鐵素體百分比含量的升高，呈現(xiàn)升高的趨勢。
由陰極充氫產(chǎn)生的氫原子一部分會結(jié)合成H2而逸出，另一部分會以原子態(tài)吸附于雙相不銹鋼表面。氫在雙相不銹鋼中的擴(kuò)散的主要驅(qū)動力為濃度梯度，氫原子會從H原子高濃度區(qū)域向H原子低濃度區(qū)域擴(kuò)散，直至穿透至試樣另一面，而被氧化成H+,成為陽極信號電流，此時氫滲透曲線中的電流密度開始逐漸上升。在氫原子穿過雙相不銹鋼的過程中，其阻力主要為雙相不銹鋼組織中的缺陷（如空位、晶界、位錯），以及第二相。這些缺陷以及第二相顆粒能夠?qū)原子產(chǎn)生“釘扎”作用，使得氫原子難以繼續(xù)擴(kuò)散而“停留”在其周圍。氫在鋼中的分布不是均勻的，而且氫不僅存在于晶格間隙中，還會以原子的形式存在于組織的缺陷處，如空位、位錯、晶界、第二相等。
奧氏體相是面心立方結(jié)構(gòu)，固溶氫原子的能力強(qiáng)。在雙相不銹鋼中，奧氏體相可以做為氫的陷阱，并且奧氏體吸收氫的能力與其晶粒尺寸正比，使得氫原子固溶在奧氏體相內(nèi)，直至奧氏體氫濃度達(dá)到飽和，降低了氫在其中的擴(kuò)散率。而鐵素體相是體心立方結(jié)構(gòu)，氫原子在其中的固溶度低，但氫原子在其中的擴(kuò)散率高，稱為氫的“擴(kuò)散通道”；隨著固溶處理溫度的升高，雙相不銹鋼中的鐵素體的含量逐漸升高，而奧氏體的含量逐漸下降，使得氫原子的“擴(kuò)散通道”增多，且氫原子的擴(kuò)散阻力減小，導(dǎo)致氫在雙相不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)升高。將2507雙相不銹鋼于固溶熱處理溫度分別為1000℃、1050℃、1100℃及1200℃的條件下保溫，將材料保溫0.5h后水冷使得實驗材料獲得不同的顯微組織結(jié)構(gòu)，研究實驗材料在0.4M HCI腐蝕介質(zhì)中組織對DSS2507雙相不銹鋼氫滲透行為的作用。對于腐蝕溶液的配置必須要有足夠高的純度，因為當(dāng)CI-、SO2-4、I-及CN-等離子存在時，對材料的氫擴(kuò)散速度都會產(chǎn)生較明顯的影響，會導(dǎo)致陽極電流迅速上升，因此腐蝕介質(zhì)的配置都是用去離子水和分析純試劑配置。
1000℃、1050℃、1100℃及1200℃固溶態(tài)的2507雙相不銹鋼室溫下在0.4M HCI溶液介質(zhì)中的氫滲透曲線如圖6.5所示。從圖6.5中可以看出四種固溶狀態(tài)的2507雙相不銹鋼的陽極電流都隨著時間的延長而升高，即表明材料中的氫含量隨著時間的延長而增多。此外從圖6.5可以獲得固溶溫度為1000℃時2507雙相不銹鋼的tb為32263s、1050℃時2507雙相不銹鋼的tb為29548s、1100℃時2507雙相不銹鋼的tb為25530s、1200℃時2507雙相不銹鋼的。為21253s,可以看出隨著固溶溫度的升高t,呈逐漸減小的趨勢，即隨著固溶溫度的升高第一個氫原子開始從氫滲透薄膜試樣的陰極面滲透到陽極面的時間縮短，也可以認(rèn)為在滲氫曲線上陽極電流密度開始升高的時間縮短。根據(jù)式（6.1)D=L2/15.3tb分別計算出不同固溶態(tài)的2507雙相不銹鋼氫擴(kuò)散系數(shù)如表6.1所列。從表6.1可以看出四種固溶狀態(tài)的2507雙相不銹鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)都屬于同一數(shù)量級，擴(kuò)散系數(shù)相差不是很大，但是能夠得知在固溶熱處理溫度不斷上升的情況下氫擴(kuò)散系數(shù)（D)表現(xiàn)為逐步變大的趨勢，四種固溶態(tài)的2507 雙相不銹鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)（D)分別為5.06×10-11c㎡/s、5.53×10-11c㎡/s、6.41×10-11c㎡/s、7.68×10-11c㎡/s,可見隨固溶處理溫度從1000℃上升至1200℃氫擴(kuò)散系數(shù)升高了2.62×10-11c㎡/s,即在固溶熱處理溫度不斷增高的情況下，DSS2507能夠溶解的氫量逐漸減少，DSS2507的耐氫脆性能下降。不同固溶態(tài)的鋼發(fā)生氫溶解度的改變以及發(fā)生氫擴(kuò)散系數(shù)改變的原因在于固溶溫度的變化使2507雙相不銹鋼中的兩相比例發(fā)生變化，由第3章對DSS2507在不同固溶態(tài)下兩相組織的研究可知，固溶熱處理溫度的增高使鋼中的鐵素體(α)相量增多，而奧氏體（γ)相含量降低。從表6.1列出的2507雙相不銹鋼兩含量及氫擴(kuò)散系數(shù)（D)可以看出，隨著鐵素體（α)相含量的升高，氫在鋼中的D值呈逐漸增大的變化趨勢；而隨著奧氏體（γ)相含量升高，氫擴(kuò)散系數(shù)（D)呈逐漸減小的變化趨勢。這表明2507雙相不銹鋼兩相結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了其氫擴(kuò)繳系數(shù)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致其耐氫脆性能的改變。
氫的溶解量對氫向材料內(nèi)部擴(kuò)散和滲入以及導(dǎo)致材料產(chǎn)生氫脆有著很大的影響。2507雙相不銹鋼的氫平衡固溶量受其組織的影響，Tumbul等人已經(jīng)建立了一個關(guān)于氫在雙相不銹鋼兩相組織中擴(kuò)散的一個模型，指出氫在奧氏體（γ）相中的擴(kuò)散率要低于在鐵素體（α)相中的擴(kuò)散率，但是奧氏體（γ)相的氫溶解度要高于鐵素體（α)相，約為鐵素體（α)相的30倍，當(dāng)雙相鋼中奧氏體（γ)相量較多時鋼能夠溶解更多的氫，進(jìn)而使氫擴(kuò)散系數(shù)減小；何建宏等人通過緊湊拉伸實驗研究了雙相不銹鋼的氫脆過程，指出隨著雙相不銹鋼中奧氏體（γ)相含量的升高，雙相不銹鋼發(fā)生氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值升高，奧氏體（γ)相對氫致延遲裂紋的擴(kuò)展有一定的阻礙作用，其在雙相鋼斷裂方面能夠發(fā)揮“纖維韌化”的作用，進(jìn)而能夠有效提高鋼的耐氫脆性能，即雙相不銹鋼的氫脆敏感性隨著奧氏體（γ)含量的升高表現(xiàn)為降低的趨勢。此外，黃彥良等人也指出材料發(fā)生氫脆和塑性降低的現(xiàn)象與材料吸附滲透氫的體積分?jǐn)?shù)存在較大的聯(lián)系，當(dāng)材料的氫溶解度升高即鋼中奧氏體相含量升高時，則其耐氫脆性能會得到增強(qiáng)。這幾種觀點都表明雙相不銹鋼中的奧氏體相能夠提高鋼的抗氫脆能力。從表6.1可以看出氫擴(kuò)散系數(shù)（D)與奧氏體相含量呈反比例的變化趨勢，即DSS2507中的奧氏體相含量越低氫擴(kuò)散系數(shù)越大。由第3章對2507雙相不銹鋼固溶組織的研究可知，奧氏體相含量隨固溶處理溫度的上升而減少，所以氫擴(kuò)散系數(shù)跟固溶溫度呈正比例的變化趨勢，即固溶熱處理溫度的增高使DSS2507雙相不銹鋼的氫平衡固溶量降低，實際表現(xiàn)為氫擴(kuò)散系數(shù)（D)增大、耐氫脆能力降低。
另外，晶粒尺寸也能夠?qū)湎虿牧蟽?nèi)部滲入和擴(kuò)散產(chǎn)生作用。當(dāng)材料的晶粒呈較窄的細(xì)長條狀時，雙相不銹鋼的擴(kuò)散系數(shù)會較低。這是由于晶粒尺寸較小、晶界面積增大、鋼中的氫陷阱密度升高，進(jìn)而導(dǎo)致試樣陰極側(cè)形成的H擴(kuò)散至材料內(nèi)部后先被鋼中的氫陷阱所捕獲進(jìn)而使H于陷阱處聚集。只有當(dāng)氫陷都被H填滿之后，后來到達(dá)到鋼內(nèi)部的H才會在材料的晶格中擴(kuò)散，這樣就導(dǎo)致原子氫到達(dá)試樣陽極面的時間（16)延長，根據(jù)式（6.1)可知最終導(dǎo)致鋼的氯擴(kuò)散系數(shù)減小。根據(jù)第3章對DSS2507雙相不銹鋼的組織研究結(jié)果可得，DSS2507雙相不銹鋼中的兩相組織在較低的固溶溫度下都呈長條狀、晶粒尺寸較小，固溶熱處理溫度的增高使兩相的晶粒尺寸都呈緩慢的長大趨勢，且奧氏體y相逐漸變短，變成島狀分散于鐵素體上。即隨著固溶溫度的升高，2507雙相不銹鋼晶粒尺寸變大、晶界面積減小，導(dǎo)致氫陷阱密度減小、氫擴(kuò)散系數(shù)變大。從表6.1也能夠獲得隨固溶處理溫度的增高，氫擴(kuò)散系數(shù)連續(xù)變大，與實驗結(jié)果是一致的。
綜上所述，2507雙相不銹鋼氫擴(kuò)散系數(shù)隨著固溶溫度的升高而變大，氫脆敏感性提高，耐氫脆性能降低。
