Возможности захвата атомов водорода в сталях межфазными границами феррит / цементит. 2. Теория адсорбции
Аннотация
Известно, что межфазные границы феррит / карбид в сталях могут являться центрами захвата атомов водорода. В работе рассмотрена адсорбция атомов водорода на границах феррит / цементит в углеродистых сталях. Проведены экспериментальные исследования по насыщению водородом в сероводородсодержащей среде согласно стандарту NACE Standard TM 0177-2005 образцов углеродистой стали У10 со структурой грубо- и тонкопластинчатого перлита (межпластиночное расстояние S ~ 0,36 и 0,085 мкм). После насыщения и 4-месячного вылёживания при комнатной температуре было определено содержание водорода в образцах. Оно выросло по сравнению с образцами, не подвергавшимися наводороживанию, с 6,85 до 8,4 и с 8,45 до 13,5 мас. ppm для образцов с грубо- и тонкопластинчатым перлитом соответственно. Наблюдение структуры в просвечивающем электронном микроскопе показало, что при наводороживании изменяется состояние цементита в перлитных колониях: его пластины кажутся толще за счёт визуального размывания межфазной поверхности, по длине пластин появляется неоднородный контраст. По-видимому, эти изменения связаны с поглощением межфазной поверхностью водорода.
Проведено теоретическое рассмотрение адсорбции водорода на межфазных границах в рамках теории Ленгмюра. Если принять оценку плотности мест захвата водорода на межфазных границах 6,627·1014 см–2, сделанную в первой части работы из кристаллогеометрических соображений, и сопоставить её с наблюдаемыми в эксперименте значениями количества поглощённого водорода, то доля заполненных мест захвата оказывается значительно меньше единицы (0,15–0,20). Энергия связи водорода с межфазной границей по литературным данным равна 12,66 кДж/моль; тогда на основании полученных экспериментальных результатов предэкспоненциальный множитель в уравнении адсорбции приближённо равен 2,2·10–4 / S. Это означает, что эффективная растворимость водорода в тонкопластинчатом перлите может повышаться в 1,5–2 раза. Аналогичный анализ может быть применён и для захвата водорода другими межфазными границами. Он укладывается в рамки подхода Ориани и в сочетании с ним может использоваться для оценки общего количества связанного водорода в стали с учётом действия всех типов ловушек.
Ключевые слова
Полный текст:
PDFЛитература
Окишев, К.Ю. Возможности захвата атомов водорода в сталях межфазными границами феррит / цементит. 1. Кристаллогеометрический анализ / К.Ю. Окишев, Д.А. Мирзаев, А.В. Верховых // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Металлургия». – 2013. – Т. 13, № 2. – С. 95–102.
Тушинский, Л.И. Структура перлита и конструктивная прочность стали / Л.И. Тушинский, А.А. Батаев, Л.Б. Тихомирова. – Новосибирск: ВО «Наука», 1993. – 280 с.
Шаповалов, В.И. Флокены и контроль водорода в стали / В.И. Шаповалов, В.В. Трофименко. – М.: Металлургия, 1987. – 161 с.
Штремель, М.А. Прочность сплавов. Ч. II. Деформация / М.А. Штремель. – М.: МИСиС, 1997. – 528 с.
Grabke, H.J. Absorption and Diffusion of Hydrogen in Steels / H.J. Grabke, E. Riecke // Materiali in Tehnologije. – 2000. – Vol. 34, no. 6. – P. 331–343.
Einflüsse von Mo, V, Nb, Ti, Zr und deren Karbiden auf die Korrosion und Wasserstoffaufnahme des Eisens in Schwefelsäure / E. Riecke, B. Johnen, H. Liesgang et al. // Werkstoffe und Korrosion. – 1988. – Jg. 39, Nr. 11. – S. 525–533. doi: 10.1002/maco.19880391108.
Wei, F.G. Precise Determination of the Activation Energy for Desorption of Hydrogen in Two Ti-Added Steels by a Single Thermal-Desorption Spectrum / F.G. Wei, T. Hara, K. Tsuzaki // Met. Mat. Trans. B. – 2004. – Vol. 35B, no. 3. – P. 587–597. doi: 10.1007/s11663-004-0057-x.
Lee, J.L. Hydrogen Trapping in AISI 4340 Steel / J.L. Lee, J.Y. Lee // Metal Science. – 1983. – Vol. 17, no. 9. – P. 426–432. doi: 10.1179/030634583790420619.
Пикеринг, Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей: пер. с англ. / Ф.Б. Пикеринг. – М.: Металлургия, 1982. – 184 с.
Перлит в углеродистых сталях / В.М. Счастливцев, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева и др. – Екатеринбург: УрО РАН, 2006. – 312 с.
Oriani, R.A. The Diffusion and Trapping of Hydrogen in Steel / R.A. Oriani // Acta Met. – 1970. – Vol. 18, no. 1. – P. 147–157. doi: 10.1016/0001-6160(70)90078-7.
Лопаткин, А.А. Теоретические основы физической адсорбции / А.А. Лопаткин. – М.: МГУ, 1983. – 319 с.
Адамсон, А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон. – М.: Мир, 1979. – 568 с.
Кельцев, Н.В. Основы адсорбционной техники / Н.В. Кельцев. – М.: Химия, 1984. – 591 с.
McNabb, A. A New Analysis of the Diffusion of Hydrogen in Iron and Steel / A. McNabb, P.K. Foster // Trans. AIME. – 1963. – Vol. 227, no. 6. – P. 618–627.
Fukai, Y. Formation of Superabundant Vacancies in M–H Alloys and Some of Its Consequences: A Review / Y. Fukai // Journal of Alloys and Compounds. – 2003. – Vol. 356–357. – P. 263–269. doi: 10.1016/S0925-8388(02)01269-0.
Tateyama, Y. Stability and Clusterization of Hydrogen-Vacancy Complexes in -Fe: An Ab Initio Study / Y. Tateyama, T. Ohno // Phys. Rev. B. – 2003, Vol. 67, 174105. doi: 10.1103/PhysRevB.67.174105.
Hydrogen-Vacancy Interaction in Bcc Iron: Ab Initio Calculations and Thermodynamics / D.A. Mirzaev, A.A. Mirzoev, K.Yu. Okishev, A.V. Verkhovykh // Molecular Physics. – 2014. – Vol. 112, no. 13. – P. 1745–1754. doi: 10.1080/00268976.2013.861087.
Choo, W.Y. Hydrogen Trapping Phenomena in Carbon Steel / W.Y. Choo, J.Y. Lee // J. Materials Science, 1982. – Vol. 17, no. 7. – P. 1930–1938. doi: 10.1007/BF00540409.
Kiuchi, K. The Solubility and Diffusivity of Hydrogen in Well-Annealed and Deformed Iron / K. Kiuchi, R.B. McLellan // Acta Metallurgica. – 1983. – Vol. 31, no. 7. – P. 961–984. doi: 10.1016/0001-6160(83)90192-X.
Влияние неметаллических включений на окклюзию водорода сталью в напряжённом состоянии / С.К. Чучмарев, В.Г. Старчак, Л.Г. Барг и др. // Изв. АН СССР. Металлы. – 1972. – № 1. – С. 42–44.
Lumsden, J.B. Effect of Palladium Additions to AISI 4130 Steel on Its Sulphide Cracking Susceptibility / J.B. Lumsden, B.E. Wilde, P.J. Stocker // Scripta Metallurgica. – 1983. – Vol. 17, no. 8. – P. 971–974. doi: 10.1016/0036-9748(83)90432-5.
Ссылки
- На текущий момент ссылки отсутствуют.
