ph值對mcpx80管線鋼氫脆敏感性的影響

在加熱過程中，在控制加熱溫度、制制壓力和壓降的基礎上，實現了空冷或控制冷卻和加速冷卻的技術。由于TMCP工藝在不添加過多合金元素,也不需要復雜的后續熱處理的條件下生產出高強度高韌性的鋼材,被認為是一項節約合金和能源、并有利于環保的工藝,故自20世紀80年代開發以來,已經成為生產低合金高強度寬厚板不可或缺的技術海洋環境中氫有可能進入到海洋設施的金屬構件中。對很多金屬來講,氫對其力學性能有著顯著的影響,它能降低金屬的塑性、斷裂強度等力學性能,使其在使用過程中遭受破壞和斷裂,目前國內外有許多專家學者從微觀結構、組成成分等角度出發對氫在材料內的擴散行為進行了研究本文采用雙面電解池氫滲透實驗,結合電化學測試及掃描電鏡觀察,研究不同pH值的海水環境中TMCPX80管線鋼在不同陰極極化電位和不同充氫電流密度時的氫脆敏感性。1實驗材料和介質實驗用X80鋼成份(質量分數,%)為:C0.06,Mn1.89,Si0.19,P0.007,S0.002,Mo0.106,Ni0.165,Cr0.228,Cu0.153,V0.003,Nb0.075,Ti0.016,Al0.034,Fe余量。圖1所示為X80管線鋼試樣的顯微組織圖,可以看出,X80鋼顯微組織主要由形狀不規則的準多邊形鐵素體(QPF)和針狀鐵素體(AF)組成,晶粒尺寸大約幾個微米。晶界和鐵素體上彌散分布有強度高而韌性低的島狀M-A組元。實驗介質為青島小麥島天然海水,酸性海水則采用1mol/LHCl溶液調節天然海水的pH值至3.5±0.2(原海水中C電化學實驗在Gamry電化學工作站(Refer‐ence600)上進行三電極體系,工作電極為底面直徑為8mm、高為10mm的圓柱體,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE,文中電位如無特殊說明均相對于SCE)。電位掃描從-350～100mV(vsE氫滲透測試實驗采用改進的Devanathan-Sta‐churski雙面電解池實驗所用試樣為直徑20mm,厚0.5mm的圓形試片,兩面用砂紙逐級打磨至600#,用乙醇清洗,干燥后封裝于子電解池上。試樣的一面鍍鎳,鍍鎳液為瓦特浴(250g/L硫酸鎳[NiSO其中,D為擴散系數,L是金屬試片的厚度(cm),t采用JSM-6700F型場發射掃描電鏡(SEM)進行試樣顯微組織觀察。試樣經過金相砂紙逐級拋光,4%硝酸酒精溶液刻蝕,進行形貌觀察。對不同極化電位和極化電流密度下氫滲透試樣進行形貌觀察,進一步分析不同條件下X80鋼的氫脆敏感性。2結果與討論2.1陰極極化曲線上的兩個控制點圖3是X80鋼的動電位極化曲線,可以看出X80鋼在不同pH值的海水環境中的析氫電位。由圖3可知,天然海水中X80鋼的自腐蝕電位在-700mV左右,在海水中的析氫電位約為-940mV。天然海水中的陰極極化曲線上存在兩個拐點:在第一個拐點a處,陰極反應由氧活化控制轉變成由氧的擴散過程控制,在該拐點之前陰極反應是由氧活化控制,主要是進行氧還原反應,如式(3)所示;b點為陰極極化的第二個拐點,該點代表的是陰極析氫起始電位,此時陰極反應是由氧的擴散和氫的去極化過程混合控制,在兩拐點ab段之間的陰極反應由氧擴散控制,在b點之后陰極反應過程中氫的去極化過程占主要地位,即主要發生的陰極反應如式(4)。從圖3中也可看出,在pH值為3.5的酸性海水中,X80鋼的自腐蝕電位正移至-670mV附近,析氫電位也較天然海水發生正移至-900mV左右,這說明pH值的降低明顯促進了析氫反應的發生2.2海水中滲氫電流密度的影響圖4和5分別為天然海水和酸性海水中X80管線鋼在不同極化電位下滲氫電流密度-時間變化曲線圖。從圖中可以看出:在不同的極化電位下,X80鋼的氫穿透時間和穩態電流密度都不相同。在天然海水中,隨著極化電位的負移,X80管線鋼的氫穿透時間逐漸縮短、穩態滲氫電流密度依次增加、滯后時間逐漸縮短。外加電位為-800mV時,穩態滲氫電流密度與背景電流密度較為接近。當陰極電位達到-1050mV時,滲氫電流迅速增加。在酸性海水中,隨著陰極極化電位的負移,滲氫電流密度逐漸增大。與天然海水環境相比,施加相同的陰極極化電位,酸性海水中的滲氫電流密度要大于天然海水環境中的。同樣是析氫臨界電位,酸性海水中-900mV時的滲氫電流密度與天然海水中-950mV的滲氫電流密度相當,略小。有效擴散系數D、表觀溶解度C從表1可以看出,當極化電位為-1050mV時,D和C理論上來說,在指定條件下(氫濃度較低時)金屬材料的氫原子擴散系數為定值,在本實驗中計算所得到的氫擴散系數都各不相同,這是因為進入到材料內部的氫原子濃度在隨著極化電位的負移而不斷增加。當氫原子的濃度較高時,氫原子相互之間可能會產生相互作用,將會阻止氫原子從一個間隙位置跳躍到另一個間隙位置處,從而導致擴散活化能、D值發生改變在酸性海水中,隨著陰極極化電位的負移,氫在材料內部的D值逐漸增加,初始氫聚集濃度也依次增大。和天然海水相比,在酸性海水中氫在X80鋼材中的D與C圖6是天然海水中不同極化電位下X80鋼滲氫試樣顯微組織照片。針狀鐵素體一般在鋼中的夾雜處形核,然后在奧氏體和夾雜界面處形成一種新的類貝氏體組織長大從圖7中可以看出,與天然海水中結果相似,在pH值為3.5的酸性海水中,隨著極化電位的負移,滲氫試樣的表面局部出現氫鼓泡,在微觀組織結構圖中可以看見蝕坑,如圖7g和h所示。酸性海水中,由于X80鋼陰極析氫反應的發生,氫在金屬基體組織結構內的局部缺陷處相互結合形成氫分子,在材料表面形成氫鼓泡,從而導致材料發生氫脆。與天然海水的結果相比,酸性海水中滲氫試樣的氫滲透現象更加嚴重。與圖6相比,圖7中的針狀鐵素體組織較不均勻,位錯密度、夾雜物的含量較高,X80管線鋼中的微觀結構對氫原子的捕獲能力加強,使得較多的氫原子滯留在材料內部,材料內部的氫壓升高,增大了氫致開裂裂紋的產生可能性,因此鋼材表現出較大的氫脆敏感性。2.3充氫電流密度的影響圖8a和b分別是X80鋼在海水中不同充氫電流密度下的滲氫電流隨時間變化曲線,從圖中可以看出,不同條件下的滲氫電流曲線其趨勢相近,隨著介質溶液pH值的減小,氫在材料中的滲透電流密度均增加。當施加3mA/cm表2為不同充氫電流密度條件下D和C從圖9和10中可以看出:隨著充氫電流密度的增加,進入到金屬基體內的氫原子增加,彼此相互結合產生氫分子,導致材料的坑蝕現象較為嚴重,且酸性越強,坑蝕現象也越容易出現。綜合以上可知,以形狀不規則的準多邊形鐵素體(QPF)和針狀鐵素體(AF)組成的X80鋼,在陰極極化超過析氫電位后,仍然有明顯的坑蝕,有發生氫脆的趨勢。極化電流密度越大,氫脆敏感性越強。由于酸性介質中析氫電位正移,相同極化電位下氫脆敏感性增加。該結果與文獻3氫電流密度的影響(1)X80鋼在天然海水中析氫電位