毕业设计论文_氢对CrMo钢价电子结构的影响.doc

摘要利用固体与分子经验电子理论余氏理论（），分别计算了含氢与不含氢时钢的价电子结构参数，包括原子组态数、共价电子数、晶格电子数。并计算出、的统计值、。最后应用价电子结构参数及其统计值分析钢的性能，从电子结构层次对钢介入氢以后的性能的改变做出解释。研究结果表明，氢介入不含合金元素晶格结构后，相变得不稳定，键也更加弱，脆断的可能性增加了很多。在含有合金元素的晶格内，虽然从计算的数值研究，相较于氢介入以前，钢相更稳定，键更强，脆断可能性更低，但是由于氢加入以后，、值的增大使得非最强健的共价电子数减少，造成了晶体内的各向异性，晶体结构也就不稳定了，各项性能也变差。合金元素的加入使钢在具有高强度的同时，保持了较高韧性，并且、对合金的强化作用依次递增。随着合金元素种类增多，强化作用更加显著。同时含合金结构单元对氢表现为排斥效果，其晶胞自身作为一种强障碍妨碍氢穿过，无碳合金晶胞是氢的强陷阱，降低了氢的扩散速度。关键词：钢；理论；氢的作用AbstractUsing the empirical electron theory of solids and molecules(),account the parameters of valence electron structure of steel with and without hydrogen or not. It comprise the number of atom configuration ,covalence electron ,crystal lattice .And account the statistical number , of ,.Finally apply parameter of valence electron structure and their statistical number analyse capability of steel ,make out explain why steels capability have changed from electron structure administrative levels.The result of study shows , after hydrogen adding the crystal lattice structure without alloy elements ,the metallographic phase gets astaticism ,the bond becomes ebber , and the possility of brittleness rupture increase much . In the crystal including alloy elements, although accounts show that compared with hydrogen dont come into steel :the metallographic phase all the better stabilize ,the bond all the better strong and the possility of brittleness rupture even more low. However,in this disquisition study because of the hydrogens coming ,the value of , increased and make the unstrongest bonds crystal lattice number reduced ,at the same time ,bring about crystal anisotropism ,and the structure astaticism ,and cause performances get bad.Alloy elements make steel have high strength and keep high toughness ,also 、 stengthen action increases by degrees in turn .As Alloy elements category raises, reinforcement becomes more remarkable .If there are carbon in alloy structure ,the cell will exclude hydrogen .Because cell them self can act as a barrier to prevent H form passing though .If there are not carbon ,crystal cell will debase hydrogenous diffuse speed.Keywords: steel; the theory of ; hydrogenous action目录摘要Abstract1.绪论11.1 研究目的与意义11.2 理论基础及价电子理论应用21.2.2 余氏理论21.2.2.1 余氏理论的基本概念2 1.2.2.2 余氏理论的基本假设31.2.2.3 键距差（）法51.2.3 价电子理论国内外研究现状71.3 的统计值71.3.1 的物理意义71.3.2 统计值的表示82.钢的价电子结构计算92.1 钢化学成分及组织结构92.2 晶体结构参数确定92.3 价电子结构计算单元102.3.1 不含氢钢计算单元102.3.2 含氢钢计算单元103.价电子结构计算模型113.1 晶胞的计算模型113.2 晶胞的计算模型123.3 晶胞的计算模型133.4 晶胞的计算模型143.5 晶胞的计算模型153.6 晶胞的计算模型173.7 晶胞的计算模型193.8 晶胞的计算模型213.9 晶胞的计算模型223.10 晶胞的计算模型234.计算结果及分析264.1 计算结果264.2 分析274.2.1 变化造成的影响274.2.2 变化造成的影响284.2.3 变化造成的影响295.结论32致谢33参考文献341.绪论1.1 研究目的与意义由于能源替代技术进展缓慢，世界各国对石油和天然气的需求仍在不断增长。在国际范围内，原油价格持续走高，加快了含、等生产成本高、开发难度大的油气田的开发力度。由于油气田用油套管服役条件恶化，要求管材具有优异的抗腐蚀性能【1】。普通材料用于含的油气资源开采时，油套管在气体的作用下，往往会造成氢脆，从而造成油、套管或整口井的报废，如果剧毒外泄，将会对钻井周围的人、生态环境以及设备造成巨大的破坏。因此，开采含的油气田必须使用抗硫油材料。油田抗腐蚀所使用的钢材在全球有两大类，一种是以日本为代表的不含合金元素的碳钢，这种钢材的提炼技术要求相当高，目前我国普遍无法达到。另一种是钢，它是在满足国际标准的条件下，在碳钢中加入合金元素、，以达到使用要求，而这也是我国正在使用的。本次毕业设计讨论的就是上述第二种钢材钢。钢是一种具有高强度、高塑性和高韧性的结构钢，经调质热处理后或正火后使用，在5000C以下具有足够的高温强度。在油田中，主要应用的有两种钢，一种是35钢和42钢，它们主要应用于各种零件，包括打捞器、卡瓦、分割器等，以及井下工具钢；另一种是（即钢）和（即钢），它们是我国主要的油套管用钢。目前油气田中的腐蚀问题依然严重，造成了大量的损失，因此急需提高材料的抗腐蚀的能力。在这样的前提下，运用合金价电子理论揭示钢在含氢条件下基体合金元素交互作用机理，可以更好的理解并解决问题。将钢物理本质与固体与分子经验电子理论（）联系探索，运用固体与分子经验电子理论建立了钢中存在的各种价电子结构模型，分别计算含氢与不含氢结构单元的电子结构参数，并以此讨论氢对钢材料的影响。1.2 理论基础及价电子理论应用1.2.2 余氏理论“固体与分子经验电子理论”（）简称“余氏理论”【2】，就是依据上述思想，在量子力学、理论、能带理论的基础上通过对78种元素和上千种化合物实验资料的分析、归纳、总结后提出的处理复杂体系的“经验电子理论”。1978年，吉林大学物理系教授、中科院院士余瑞璜发表了该理论，吸引了许多人，特别是从事材料科学基础研究和应用研究的科学工作者的兴趣。1.2.2.1 余氏理论的基本概念 余氏理论(Empirical Electron Theory in Solid and Molecules-)是以确定晶体内各原子的状态为基础描述晶体价电子结构的理论。他的主要内容包括了四个基本假设、键距差(Bond Lenghth Diference)【2】方法和键能计算。原子的状态决定着原子的总价电子数、共价电子数、晶格电子数、磁电子数、哑对电子数、单键半距等价电子结构参数。由余氏建立的经验方程可求得上述电子数及单键半距。由余氏利用研究的共价键距与单键半距和键上的电子对数的关系式 (11)给出的键距差(Bond Length Difference)法，可求得晶体中各原子的杂阶和它们之间所成共价键上的电子分布，从而建立起晶体或分子的价电子结构。所以原子状态的描述是中的主要问题。 根据价层电子在原子结合成分子或固体时的分布和作用特点，将其分为四类。1共价电子 这是价电子层中单占据轨道的一种电子，在原子间相互结合时它们将与附近的其他原子中一个单占据轨道且自旋与其相反的价电子相互配对，共同占据这的个原子公有的轨道，形成两个成键原子共有的电子对。这种公有化的电子对是原子间结合的主要基础。形成共价结合的分子或固体中原子的价数就是原子的共价电子数。在中将共价电子记为“”，共价电子数用来表示。2晶格电子 晶格电子是余瑞磺引进的一个新概念，指的是在由多个原子组成的固体体系内，处于由3个、4个甚至6个以上的原子围绕的空间内的价电子。中的晶格电子概念的引入起着非常重要的作用。晶格电子在单键半距、结合能、导电性以及磁结构等方面都起定作用。晶格电子用符号“”或“”表示，前者表示满轨道的晶格电子，后者表示单占据轨道的晶格电子。晶格电子数用表示。3磁电子 这是价层的种半满轨道(单占据轨道)中的电子，它在原子间相互结合时保持在原来的原子内而不发生公有化，一般称它为非键电子。由于这种电子是原子磁矩的主要来源，故称为磁电子，中将这种心子记为“”，磁电子数用表示。4哑对电子在价电子层中，由两个自旋相反的电子占据同一轨道，在原子结合时仍保持在原来的原子内而不发生公有化，这样种满轨道的电子对被称为哑对电子。哑对电子不参与原于问的结合，但影响其他电子的结合行为。中哑对电子用“”或“”表示，哑对电子数记为。5. 单键半距 实验表明一般情况下，不同的分子或晶体中以固定形式的共价键相连接的两个原子A和B间的平衡距离非常接近于相同，因此有可能为AB键的键距指定一个能在含有这个键的任何分子或晶体中使用的定值。EET中将由相同的两个原子形成的共价单键(AA或BB)的键距值的半长度取为这个定值，称为原子的单键半距，记为。对于种给定元素的原子来说，当它与其他原子形成共价键时，不论在哪种分子或晶体，它的单键半距都是确定不变的(定值)。因此单键半距可以作为表征原子尺度的一个特征量。1.2.2.2 余氏理论的基本假设1. 关于分子和固体中原子状态的假定 假定1：在固体与分子中，每一个原子一般由两个原子状态杂化而成。这两种状态叫做态和态，其中至少有一个在基态或靠近基态的激发态。两个状态都有它们自己的共价电子数、晶格电子数相单键半距。 在中采用原子双态杂化，由于h态、t态中各种轨道的成分是已知的只要知道了杂化中包含的h态、t态的成分，立即就可以确定杂化中各种原子轨道的成分，而无需求解久期方程。h态和t态的成分可以根据所研究的晶体和分子的具体结构，直接用理论中的键距差方法给出。2. 关于不连续状态杂化的假定假定2：在一定情况下，状态杂化是不连续的，若表示t态在杂化状态中的成分，则在多数结构中，将由或近似地由下式给出： （1.2） （1.3）式中，和分别表示h态和t态的s，P，d的共价和晶格电子；s电子是晶格电子时取，否则。当h态的价电子全部是晶格电子时式(13)不适用，此时应用下式； （1.4）式中谷符号的意义与式(13)相同。3. 关于键距的假定假定3：除特殊情况外，在结构中两个相近原子和之间总是有共价电子对存在。这个共价电子对的数目用来表示，而这两个原子的间距叫共价键距，用表尔。根据的研究，和之间有下列关系： (29)式中，和可以是同样的，也可以是不同的原子；可以是整数也可以是分数；代表不同的键。，它们代表结构中所有不可忽略的键。所谓不可忽略的键是指由这样长的键距，根据上式所算出的与该结构中最大的可能误差相比是不可忽略的，而最大的(即)的可能误差当然决定于实验链距的可能误差值。值的选择一律按下列条件决定。 （1.5）式中。4. 关于等效价电子的假定假定4：对于B族元素，含过渡金属以及，在固体中这些原子有一部分外层电子在空间扩展得如此之远，以致它们对共价键距的影响等效于最外层的或电子的作用。对于，和，价电子的取向在晶格空间不同单胞中是如此混乱地分布，以致它们的平均效果与电子等效，然而，这些等效电子的相角分布以及它们对结合能的贡献仍然保持原来的特性。在中所说的等效价电子是这样的电子：对某些元素来说，在外部壳层中的一部分电子在空间中明显地扩展，以至于它们对于共价键距的影响与更外层或电子的影响等效；另外一些元素价电子的空间取向在晶体的不同单胞内如此之混乱，以至于它们的平均效应与电子等效。前者成为等效于或的电子，后者成为等效于的电子。1.2.2.3 键距差（）法 在分析中需要知道的晶体结构资料包括：晶体结构类型、晶格常数以及原子坐标参数的值。由已知的分子或晶体的结构资料，可以用立体几何的两点间距离公式直接计算任意两个原子的间距位，即所谓的“实验键距”值。通常原子的单键半距只有0.1nm左右，当原子间距比两个原子的单键半距大很多时，两者不会形成共价键。经验上，两个原子的间距超过0.4nm就近于可忽略的键了，为了谨慎起见，可计算到0.5nm左右1.方程由键距方程式(1.1),设最短键距，即 （1.6）其他任意一键。有 (1.7) （1.8）令 （1.9）则 (1.10) 称上式为方程，它是包含个方程的方程组。都已由晶体结构资料求出。当设定体系内各原子的状态时，其相应的单键半距为已知。试选适当的值，即可求得各共价键上共价电子对数与的比值。2.的计算在分子和晶体的结构单元内，由同样的原子形成的键距相同的各键称为等同键，在一个分子和晶体的结构单元内，键序为的键的等同键的总数用符号表示，且 (1.11)式中，表示在一个分子或一个晶体结构单元内包含的参考原子的数目；表示对于一个参考原子来说，形成的键的等同键的数目；是一个参数，当成键的两原子为同类原子时其值为1，为不同原子时其值为2。3.方程 一般情况下我们考虑的分子或固体都是电中性的，故可设想在一个结构式内包括的全部原子具有的全部共价电子应该完全分配在这个结构单元内的全部共价键上，即在一个结构单元内的全部共价键上的总共价电子数等于该结构单元内全部原子的总共价电子数。用数学式子表示：一个结构单元内全部个原子提供的共价电子总数为，一个结构单元内全部共价键上的共价电子总数为，其中。所以 （1.12） （1.13）此即方程。4.求解与比较 将方程和和前面的个方程联立，即可在设定各原子杂阶的前提下解出N个持求的解。将这N个值分别代入N个键距方程中去，就可求出各键的理论键距值。将这个理论键距和试验键距的差 (1.14)称为键距差，以 (1.15)判断所设原子状态是否与实际符合。若所有各键都满足式(1.15)，则认为级近似下所选的原子杂阶与实际情况是一致的，否则需另设原子杂阶，重新计算。1.2.3 价电子理论国内外研究现状目前我国已有多所大专院校、科研单位以及工厂的多位科技工作者利用“经验电子理论”从事新材料的基础和应用研究工作。他们不仅在金属中原子的电子结构描述、性质的计算和预测等基本理论方面取得了重要进展，而且在揭示金属材料的本质、相变规律以及合金成分设计等方面也取得了可喜的成绩。这些工作已在理论本身不断发展的同时，显示出电子理论在材料科学研究发展中的巨大威力。尤其是对材料的微观物理图像的认知和对材料性质的理解方面的许多突破性进展，已经引起国外同行学者和著名研究单位的兴趣【3】。1982年开始的每年一度的长春EET经验交流会为该理论的完善及广泛应用起了推波助澜的作用。中南工大的谢佑卿【4】等人在的基础上，结合统计热力学和能带论，发展了一个新的理论“特征晶体理论”（理论），并在对铝基复合材料的研究中得到了验证。1984年日本学者汤川夏夫和森永正彦等根据离散变分理论并采用原子簇模型提出合金电子结构计算的理论。1988年开始举行的一年一度的离散变分讨论会，使这一理论得到了推广。值得一提的是，日本的研究观点已从传统的过渡族金属为基的合金转移到了非过渡族金属为基的合金如Mg、Al等。其中，s、p电子取代d电子问题已成为研究重点。另一方面，材料科学和信息科学的结合为材料的设计发展了新的途径。美国联合收割机公司曾创立了CHAT系统，且发展了一个铝合金设计的专家系统ALDAIN，它能从铝材的化学成分和热处理工艺提供显微组织信息。美国新材料研究中心也开发出一种材料设计专家系统，它能根据所需性能来帮助选材，并提供有关材料试验和失效分析等内容。日本则开发出了一个计算机辅助合金设计程序，简称CAAD。1.3 的统计值1.3.1 的物理意义的晶体电子结构是晶体中任意两原子共价键上的共价电子分布和原子所处的状态。关于最可几状态的确定是依据试验测定值，如原子的磁距。当某种组态下磁距的计算值与实验测试值相符时，这种组态就被视为原子的最可几组态。自从固体与分子经验电子理论（）问世以来，许多学者用计算纯金属、固溶体和化合物及相界面的电子结构。如上所述，求得的原子组态数为结构中原子可能存在的全部组态数，对于纯金属和化合物值可达几十组至几百组，对于固溶体值可达数千组，在相界面上值可达数千万组。从这样多的原子组态中确定原子的最可几状态并非易事，尤其是没有试验测试值为参考时。为了解决中原子最可几状态确定的困难，我们依据“宏观物理量应是微观状态统计值”的思想，林成【5】在他的“高强高韧钛合金电子结构及力学性能计算”的博士论文研究中尝试了电子结构参数、键能EA的统计值、的计算，用于钛合金共析转变的讨论与实验值符合较好。于是在合金力学性能的计算中用统计值代替最可几状值，在非调质钢终轧力学性能计算中获得了令人满意的结果。因此，当结构中最可几组态确定困难时值也可近似代替最可几组态下的值。需要注意的是，是微观状态中某种结构单元（晶胞）最强共价键上的共用电子对数的平均值，它不对应某一具体的原子组态。1.3.2 统计值的表示设合金相中原子可能存在的原子组态数为，每个状态（）下合金相共价键上共价电子数为，则依据等概念原理，的统计值可表示为： （1.16）式中，为任意一个原子组态上的值；为该原子组态出现的概率，。由于是相最强键上的共价电子对数，它可表征相分解或重构的难度。因此值需计算的统计值。2.钢的价电子结构计算2.1 钢化学成分及组织结构钢主要化学成分【6】见下表：表2.1 钢化学成分0.280.340.170.370.400.700.801.100.150.25 其实钢如同其它合金钢一样，还具有一些合金元素，比如、等，但是由于其合金含量相当低，在本次计算中不做讨论。一般使用的钢有两种状态马氏体和，其中是经过调质处理获得的。这种经调质处理得到的钢具有较好的力学性能，它具有高强度、高塑性和高韧性，在油气田的应用中，大多采用的就是经调质处理的钢，其组织为。由于知道钢使用状态为，则可知其基本组织是铁素体加珠光体。铁素体是由组成的，珠光体是由加渗碳体组成。所以在此次计算中，使用的基本结构为。2.2 晶体结构参数确定 根据【7】不同含碳量的点阵参数公式： (2.17)式中，=0.28664nm；=0.0032nm；=0.066。取含碳量为0.34%进行计算，得到=0.28773nm，=0.29418nm。按照点阵参数计权平均思想，含碳晶胞的点阵参数为： （2.18）式中AC为碳的原子百分数,有： （2.19）则代入（2.18）式计算，得到=0.30369nm，=0.40489nm。2.3 价电子结构计算单元2.3.1 不含氢钢计算单元相空间的晶胞结构是指相中原子所构成的键络、键络上的电子分布以及其原子所处的状态。由于钢中含有以及四种合金元素、，因此它的价电子结构为可能出现的晶胞价电子结构的混合【8】。从以往的研究发现一个问题，当合金材料中有三种或三种以上合金元素时，按常理推断会有晶胞结构、等出现，即一个晶胞中溶入三种甚至更多合金元素，但是这种晶胞类似超点阵结构【9】，这种结构目前在钢中还很少发现，所以一个晶胞中3个（面心）原子全被合金元素置换的情形，可以不讨论了。 根据上面的描述以及固相合金的偏聚理论，钢中除有不含碳的、单元(晶胞)外，还应有含碳结构单元、，其中、为溶入其中的合金原子。含碳结构中合金原子的位置取决于各合金原子与碳的结合力强弱。在下面结构模型的构建中将按照晶格结构的种类来。2.3.2 含氢钢计算单元当氢介入以后，将构成新的晶胞单元，但是其基本结构并没有发生变化。由于氢原子的半径很小，不会占据（面心铁原子）的位置，而是根据含碳与否，分别进入四面体间隙或者八面体间隙。因此在已经含有两种合金元素的结构单元中再加入氢时，一般不会形成超点阵结构。具体是进入晶胞的体心位置，进入晶胞结构的四面体间隙，对于所有含碳的晶胞结构、，氢是进入了八面体间隙。具体晶胞模型将在下章列出。具体晶胞结构包括有、，其中、为溶入其中的不同合金原子，无论含氢或不含氢，、在本次毕业设计中均指代的是、中的一种。FeFeca0AB3.价电子结构计算模型3.1 晶胞的计算模型 1） 的晶胞结构资料如下：晶体结构类型：A2；b.c.c；Im3m（No.229）单胞内原子数：A=2等效点阵位置：（0，0，0；1/2，1/2，1/2）+Fe：2 a m3m 0，0，0点阵参数：=0.28664nm晶胞内的原子排布及键络如图3.1所示。其中A表示的键，B表示的键。 图3.1 晶胞结构模型的Fe原子磁距值为=2.39。 2） 实验键距和等同键数实验键距： 等同键数： u位置点群：m3m，阶为48；v位置有u原子位置点群的3次轴和通过。由于3m子群的阶为6，故： 所以 。IB： S位置点群：m3m，阶为48；t位置有s原子位置点群的4次轴和通过。由于4m子群的阶为8，故： 所以 。3） 键距方程 式中=0.0600nm。4） 方程 5） 方程 =6） 理论键距和键距差 理论键距： 键距差： FeFeca0H 图3.2 晶胞结构模型3.2 晶胞的计算模型晶胞内的原子排布如图3.2所示。1） 实验键距和等同键数实验键距： 等同键数： 2)键距方程 式中=0.0710nm。3) 方程 4) 方程 = 5)理论键距和键距差 理论键距： 键距差： (其中=A.B.C.D.E)FeFeca0Mx 图3.3 晶胞的结构模型 3.3 晶胞的计算模型晶胞内的原子排布如图3.3所示。1） 实验键距和等同键数实验键距：等同键数：2) 键距方程 式中=0.0600nm。3) 方程 4) 方程 = 5)理论键距和键距差理论键距： 键距差： (其中=A.B.C.D)FeFeca0MxH 图3.4 晶胞结构模型3.4 晶胞的计算模型晶胞内的原子排布如图3.4所示。1） 实验键距和等同键数实验键距： 等同键数： 2) 键距方程 式中=0.0600nm。3) 方程 4) 方程 = 5)理论键距和键距差理论键距： 键距差计算： (其中=A.B.C.D.E.F)3.5 晶胞的计算模型FecxFe1Fe2CCcaczy图3.5为含碳晶胞。这个晶胞为了清楚，特别是为了计算方便，图中画出了碳占据Fe的子点阵位置。图3.5 晶胞的结构模型 1） 实验键距和等同键数实验键距： 等同键数： 2) 键距方程 式中=0.0710nm。3) 方程 4) 方程 = 5）理论键距和键距差理论键距： 键距差： (其中=A.B.I)FecFe2CFe1CcacFe3H图3.6 晶胞结构模型3.6 晶胞的计算模型 晶胞内的原子排布如图3.6所示。1) 实验键距和等同键数实验键距： 等同键数：2) 键距方程式中=0.0710nm。3) 方程 4) 方程 = 5)理论键距和键距差理论键距： 键距差： (其中=A.B.O)3.7 晶胞的计算模型 晶胞内的原子排布如图3.7所示。1)实验键距和等同键数FecMxFe2CCcac图3.7 晶胞模型实验键距： 等同键数： 2) 键距方程 式中=0.0710nm。3) 方程 4) 方程 = 5) 理论键距 6)键距差计算 (其中=A.B.I)3.8 晶胞的计算模型 晶胞内的原子排布如图3.8所示。 1)实验键距和等同键数FecMxFef1CCcacHFef2图3.8 晶胞模型实验键距： 等同键数： 2) 键距方程 式中=0.0710nm。3) 方程 4) 方程 = 5)理论键距和键距差理论键距： 键距差： (其中=A.B.O)3.9 晶胞的计算模型 晶胞内的原子排布如图3.9所示。1)实验键距和等同键数Fe3MxFe2MyCCcac 图3.9 FeCMxMy晶胞结构模型实验键距： 等同键数： 2) 键距方程 式中=0.0710nm。3) 方程 4) 方程 = 5)理论键距和键距差理论键距： 键距差： (其中=A.B.M)3.10 晶胞的计算模型 晶胞内的原子排布如图3.10所示。FecMxFe1MyCCcacH图3.10 FeCMxMyH晶胞模型1)实验键距和等同键数实验键距：等同键数： 2) 键距方程 式中=0.0710nm。3) 方程 4) 方程 = 5)理论键距和键距差理论键距： 键距差 (其中=A.B.O)4.计算结果及分析4.1 计算结果根据上述确定的C参数值，同时考虑各种元素的杂阶状态，结合上述的结构模型图，可以编写VB程序进行计算。计算出相中可能存在的原子组态数，某相处于稳定状态时最强共价键上的共用电子对数的统计值【10】，以及多个原子组成的固体体系内，处于由3个、4个甚至6个以上的原子围绕的空间内的价电子数的统计值。所有结果综合如表4.1。表4.1 钢氢介入前后晶胞的、及值晶胞结构不 含 氢含 氢不含C690.404843.299693310.840592.4300017810.478471.049867330.713552.439628830.508781.072581820.728732.391006100.473481.008483970.699142.4017315500.519270.914033060.729422.25487含C106501.364425.76762296260.780539.986522960.771538.146471529930.952887.58989320.795838.788101380281.421858.105648160.748658.53007511760.817739.176641510.775498.175822420921.098527.90033700200.946936.000632175770.974846.88787587800.902905.917181506130.906936.920401641740.862515.348434539340.878626.30223244791.166806.31674808901.271137.30391688891.120445.927562297611.201506.82688651600.776316.102781732390.784567.126464.2 分析 通过上表分析可知，含不同合金元素的晶胞结构在氢介入前后，、以及值发生很大的变化。 但这些仅仅是单纯从综合数据上分析的结果，这些结果是无法完整地反映材料的性能的。实际上晶体内部由于合金元素与氢键作用强度不同，并且还有可能产生偏聚、各向异性等，都可能改变材料的性能，下面进行具体的分析讨论。4.2.1 变化造成的影响值的数据变化综合如表4.2：表4.2 钢氢介入前后晶胞的值晶胞结构不含氢含氢不含C6933117817338831826103971550306含C10650296262961529933213802881651176151242092700202175775878015061316417445393424479808906888922976165160173239 不含碳时，单独从无氢或有氢结构单元看，合金元素的加入都使值增大了，说明合金元素的存在增加了相的稳定性，具有强化作用。再从含氢与不含氢的对比中可知，含有合金元素的晶胞结构的均减少，而没有合金元素的反而增大了，说明在含有合金元素结构中氢的介入使相结构变得不稳定了。含碳结构单元中，单独从无氢或有氢结构单元看，在不含氢的晶胞结构单元中，晶胞结构参数反应的相稳定性由强到弱的晶胞类型分别是、，即当碳与一种合金元素共存时，相的稳定性是相当低的，而碳与两种合金元素共存时，相的稳定性最高。而氢介入以后，这种明显的强弱区分消失了。但是明显的可以看出，氢的介入使值增大，即相稳定性增大。无论含氢与否，含碳与否，就几种合金元素、而言，对相稳定性的影响强弱也是有区别的。明显的看出和元素的加入使相的稳定性大大的增加，而和的影响确不如它们。4.2.2 变化造成的影响值的数据变化综合如表4.3：表4.3 钢氢介入前后晶胞的值晶胞结构不含氢含氢不含C0.404840.840590.478470.713550.508780.728730.473480.699140.519270.72942含C1.364420.780530.771530.952880.795831.421850.748650.817730.775491.098520.946930.974840.902900.906930.862510.878621.166801.271131.120441.201500.776310.78456不含碳晶胞单从氢介入以前来看，的值从到是增大的，这表明合金元素在钢中起到了强化基体、稳定组织的作用。同时、对合金的强化作用依次递增。但由于氢进入，值增大，晶格里最强键上共用电子对数增加以后，其余键上的共用电子对数相应的减小，因此在材料内产生了各向异性。同时由于 晶胞是氢的强陷阱，也是有益陷阱，有助于捕获氢，增加了氢向其它优先致裂的缺陷处传输的阻力，降低了氢的扩散速度，使得在含有合金元素的结构中加入氢时，相对增大的比要小。含碳晶胞在氢介入以前，从到、，值减小，说明键的变得容易断裂了，但是当氢介入以后情况恰恰相反，的值在逐步的增大，且含氢含合金元素晶胞结构的值比不含氢的大。从整体上来说，部分晶格结构中氢介入后值增大了，理论上证明了最强键增强，材料更加难以分解或重构，但是从宏观上来看材料性能没有变得更好，而是发生氢脆。产生这一现象的原因依然是由于在材料内产生了各向异性，导致材料容易被破坏。从数据中还可以看出和晶胞结构在氢加入以后，值增大不多，尤其是，平均只增加了0.067。那是由于合金原子与碳的结合力强于与氢的结合力，故和晶胞对氢表现为间接排斥效果，其晶胞自身结合紧密将成为一种强障碍妨碍氢穿过，导致氢的作用减低，值变化不大。4.2.3 变化造成的影响 值的数据变化综合如表4.4：表4.4 钢氢介入前后晶胞的值晶胞结构不含氢含氢不含3.299692.430001.049862.439621.072582.391001.008482.401730.914032.25487含5.767629.986528.146477.58989续表4.4晶胞结构不含氢含氢含8.788108.105648.530079.176648.175827.900336.000636.887875.917186.920405.348436.302236.316747.303915.927566.826886.102787.12646 在不含碳的结构单元中。单独看不含氢的情况，合金元素的加入使值降低，既提高了强度，又降低了韧性。而加入氢以后，晶格的值增大了，说明脆断的可能性降低了。合金元素与氢均使晶胞结构的脆断可能性降低，当合金元素与氢共同作用时也使脆断可能性降低，但它们共同作用时值增加的程度有所下降。这种情况出现的原因可能是由于合金原子进入晶胞形成晶胞使其八面体对氢的结合力增加，因此晶胞是氢的强陷阱，也为有益陷阱，有助于捕获氢，增加了氢向其它缺陷处传输的阻力，从而降低了氢的扩散速度，影响的氢的作用力【11】。 在晶胞含碳时。和晶胞结构中，值是增大的，这是由于多元合金作用，捕获氢的作用与阻止氢扩散聚集作用共存，从而降低了钢氢致脆化倾向【12】。单独氢作用时也使晶胞结构的脆断可能性降低。但是当合金元素与氢共同作用时相较于晶胞结构，增大程度有所降低，有可能是由于合金原子进入晶胞形成含碳一元、二元合金结构，因合金原子与碳的结合力强于与氢的结合力，故该类型的结构单元对氢表现为一种排斥效果。同时以非金属碳原子为中心和周围合金原子或构成强固的八面体硬团作为骨架，可作为裂纹扩展的微观强障碍。由于钢存在各类缺陷，在氢进入后，氢与各种缺陷以及合金元素之间均存在交互作用，这使得合金元素在其中的行为变得复杂，其影响并不是简单的提高强度、降低韧性【13】。由于是一个描述某种晶胞在某一状态下韧脆性的静态参数，认为其不能正确反映氢与合金原子、基体结构缺陷间的交互作用。为了表征氢的介入对晶胞脆性的影响程度，定义了参数，即同类结构中含氢与不含氢时的比值【14】。各结构单元的数值如表4.5所示。表4.5 钢各结构单元的值晶格结构晶体结构0.736431.075802.323760.966302.229201.147862.381531.169542.466951.178331.731481.156280.931681.151720.922341.16774就某一具体结构单元而言，越小，表明氢的进入引起晶胞脆化程度越大。对于CrMo钢，在晶胞中的，值最小，表明晶胞(0.73643)最易受氢的影响而脆化。从到、结构单元，值依