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钛 合 金 的 氢 脆 腐 蚀
摘 要: 钛是最易吸氢的工业材料, 其氢腐蚀主要表现为氢脆。 化学工业中使用钛所发生的事故大部分是由钛的吸氢而造成氢脆破裂引起。 钛氢脆一直是钛作为结构材料能否获得广泛安全使用的威胁。 本、、、、, 并对存在的问题和发展前景进行探讨. 关 键 词: 钛; 氢脆; 腐蚀
/ ℃ 原子比/ % 质量比/ % α 300 8 0.18 25 0.1 0.002 β 300 44 0.99 一般来说, 氢在金属中的点阵扩散是沿着金属晶格进行的, 它遵循以下方程 :D=D0exp(-QD/ RT)
体心立方晶体扩散激活能最小 ,面心及密排六方中的扩散激活能大的多 , 钛( 体心立方) 冷却转变为 α钛 , Qd 由 2 . 8 ×107 kJ/g 分子增大为 5.3×107 kJ/g 分子 ; 表面状态对 D 值也有影响 ,表面有钝化膜时的 D 值小 。氢还可以通过应力诱导扩散 , 当氢在金属晶格的间隙位置 , 引起弹性形变 ,特别是有三向应力梯度和高应力区聚集时 ,氢在该处的浓度高。应力诱导扩散比点阵扩散快几个数量级 。
氢可以以 H -、H、H+等形式固溶于金属中。有人认为象钛这样的过渡族金属的 d 带有空轨道 ,电子没有填满。氢进入后, 分解为质子和电子,电子进入金属的 d 轨道 ,质子固溶在金属中, d轨道填满后 , 氢以原子态存在 。金属 d 电子的增多使金属间的斥力升高 , 所以点阵结合能下降 。当钛中的氢超过固溶度 , 可形成氢化物 TiHx( x =1 . 53 ~ 1 . 99)。
钛氢脆的机理
关于金属氢脆的理论很多 , 各具特点又有局限性。目前流行的主要有三种。
氢压理论 : 它认为在金属中一部分过饱和氢在晶界 、孔隙或其它缺陷处析出 ,结合成分子氢 ,给这些位置造成很大的内压 , 降低了裂纹扩展所需外应力。
吸附氢降低表面能理论 : 当裂纹尖端有氢吸附在表面时 ,使表面能下降 。在外力作用下 ,为了与外力平衡 , 断裂面扩大 。当裂纹扩展达到临界值 ,产生裂纹失稳扩展的急剧破坏。由于晶界上氢的扩散比晶内容易 , 因此 , 晶界上氢的浓度较高。
位错理论 : 该理论认为 ,氢脆只在一定温度和应变速率范围内发生 。当温度低于临界温度时 ,含氢金属在形变过程中可能生成 Cottrell 气团。若温度不太低 ,应变速率较低时 ,氢原子扩散速度与位错运动相适应 。位错对氢气团起了“钉扎”作用引起金属的局部硬化 。只有在外力作用下不断产生新的位错 , 才能继续塑性变形。当运动的位错和氢气团遇到晶界等障碍时 , 在此处产生位错塞积和氢气集结 , 应力足够大时产生裂纹以致扩散。当钛的吸氢量不断增加达到 80 ~ 100 ×10-6时 ,在光学显微镜下可观察到组织中有氢化物沉淀 ,随着氢化物的增多增大 ,可产生三种情况:
( 1)如果氢扩散慢, 氢化物集中在钛的表面,引起表面脆性氢化物剥落,腐蚀失重增大。
( 2)氢在应力作用下, 扩散到应力场强度高的地方形成氢化物,在母材-氢化物界面或基体
中产生微裂纹 ,微裂纹在应力作用下扩展,导致开裂。
( 3)钛全面吸收大量的氢而脆化。
国内外的许多研究者探讨了钛在各种腐蚀介质中的氢脆问题,普遍认为: 钛的氢脆属于氢化物型氢脆 ,钛的氢化物的标准生成吉布斯焓变很负,从热力学上来说很容易生成; 一切氢脆始于钛表面的钝化膜的破坏 ; 氢是以活性原子的形式进入钛基体当达到固溶极限时生成 γ中间相 ,其塑性远低于金属本体 。如受其它应力影响 , 沿晶界滑移面沉淀或析出 , 形成类似马氏体或魏氏体的形态。γ相比容比钛大20 %, 会产生大的相变应力 ,致使相界面上产生微裂纹,成条的氢化钛针状物连接在一起并扩散,产生脆裂。
6 影响氢脆的因素
内在因素
钛是一种强度很高的金属 , 而材料的强度越高,其氢脆性一般越敏感。
氢是氢脆的直接因素 。室温下 ,钛合金中的固溶度为 20 ~ 200 ×10 -6 。当超过溶解度时 , 就会形成 TiHx。所以可以通过提高钛合金中的氢的固溶度来降低氢脆敏感性 。当氢含量为 500×10 -6 ,高纯钛塑性损失为 9 %, 工业纯钛为 23 %。如氢含量继续升高 ,其塑性会急剧降低 。所以在一定范围内 ,氢含量越高 ,钛的氢脆敏感性增加。一般来说 , 钛结构件氢含量超过临界含量 ,氢脆性会发展 。而其允许含量 C 允许 =C 临界/n ,( n 取决于结构材料的重要程度 , 使用条件和制造工艺) 。不用焊接的钛零件且无剧烈应力集中时 ,n =1 . 5 ~ 2 ; 未退火的焊接结构 n =2 . 5 ~ 3 . 5 ; 退火的焊接结构 n =2 。下
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