ph值对mcpx80管线钢氢脆敏感性的影响

ph值对mcpx80管线钢氢脆敏感性的影响

在加热过程中，在控制加热温度、制制压力和压降的基础上，实现了空冷或控制冷却和加速冷却的技术。由于TMCP工艺在不添加过多合金元素,也不需要复杂的后续热处理的条件下生产出高强度高韧性的钢材,被认为是一项节约合金和能源、并有利于环保的工艺,故自20世纪80年代开发以来,已经成为生产低合金高强度宽厚板不可或缺的技术海洋环境中氢有可能进入到海洋设施的金属构件中。对很多金属来讲,氢对其力学性能有着显著的影响,它能降低金属的塑性、断裂强度等力学性能,使其在使用过程中遭受破坏和断裂,目前国内外有许多专家学者从微观结构、组成成分等角度出发对氢在材料内的扩散行为进行了研究本文采用双面电解池氢渗透实验,结合电化学测试及扫描电镜观察,研究不同pH值的海水环境中TMCPX80管线钢在不同阴极极化电位和不同充氢电流密度时的氢脆敏感性。1实验材料和介质实验用X80钢成份(质量分数,%)为: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。图1所示为X80管线钢试样的显微组织图,可以看出,X80钢显微组织主要由形状不规则的准多边形铁素体(QPF)和针状铁素体(AF)组成,晶粒尺寸大约几个微米。晶界和铁素体上弥散分布有强度高而韧性低的岛状M-A组元。实验介质为青岛小麦岛天然海水,酸性海水则采用1mol/LHCl溶液调节天然海水的pH值至3.5±0.2(原海水中C电化学实验在Gamry电化学工作站(Refer‐ence600)上进行三电极体系,工作电极为底面直径为8mm、高为10mm的圆柱体,辅助电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极(SCE,文中电位如无特殊说明均相对于SCE)。电位扫描从-350～100mV(vsE氢渗透测试实验采用改进的Devanathan-Sta‐churski双面电解池实验所用试样为直径20mm,厚0.5mm的圆形试片,两面用砂纸逐级打磨至600#,用乙醇清洗,干燥后封装于子电解池上。试样的一面镀镍,镀镍液为瓦特浴(250g/L硫酸镍[NiSO其中,D为扩散系数,L是金属试片的厚度(cm),t采用JSM-6700F型场发射扫描电镜(SEM)进行试样显微组织观察。试样经过金相砂纸逐级抛光,4%硝酸酒精溶液刻蚀,进行形貌观察。对不同极化电位和极化电流密度下氢渗透试样进行形貌观察,进一步分析不同条件下X80钢的氢脆敏感性。2结果与讨论2.1阴极极化曲线上的两个控制点图3是X80钢的动电位极化曲线,可以看出X80钢在不同pH值的海水环境中的析氢电位。由图3可知,天然海水中X80钢的自腐蚀电位在-700mV左右,在海水中的析氢电位约为-940mV。天然海水中的阴极极化曲线上存在两个拐点:在第一个拐点a处,阴极反应由氧活化控制转变成由氧的扩散过程控制,在该拐点之前阴极反应是由氧活化控制,主要是进行氧还原反应,如式(3)所示;b点为阴极极化的第二个拐点,该点代表的是阴极析氢起始电位,此时阴极反应是由氧的扩散和氢的去极化过程混合控制,在两拐点ab段之间的阴极反应由氧扩散控制,在b点之后阴极反应过程中氢的去极化过程占主要地位,即主要发生的阴极反应如式(4)。从图3中也可看出,在pH值为3.5的酸性海水中,X80钢的自腐蚀电位正移至-670mV附近,析氢电位也较天然海水发生正移至-900mV左右,这说明pH值的降低明显促进了析氢反应的发生2.2海水中渗氢电流密度的影响图4和5分别为天然海水和酸性海水中X80管线钢在不同极化电位下渗氢电流密度-时间变化曲线图。从图中可以看出:在不同的极化电位下,X80钢的氢穿透时间和稳态电流密度都不相同。在天然海水中,随着极化电位的负移,X80管线钢的氢穿透时间逐渐缩短、稳态渗氢电流密度依次增加、滞后时间逐渐缩短。外加电位为-800mV时,稳态渗氢电流密度与背景电流密度较为接近。当阴极电位达到-1050mV时,渗氢电流迅速增加。在酸性海水中,随着阴极极化电位的负移,渗氢电流密度逐渐增大。与天然海水环境相比,施加相同的阴极极化电位,酸性海水中的渗氢电流密度要大于天然海水环境中的。同样是析氢临界电位,酸性海水中-900mV时的渗氢电流密度与天然海水中-950mV的渗氢电流密度相当,略小。有效扩散系数D、表观溶解度C从表1可以看出,当极化电位为-1050mV时,D和C理论上来说,在指定条件下(氢浓度较低时)金属材料的氢原子扩散系数为定值,在本实验中计算所得到的氢扩散系数都各不相同,这是因为进入到材料内部的氢原子浓度在随着极化电位的负移而不断增加。当氢原子的浓度较高时,氢原子相互之间可能会产生相互作用,将会阻止氢原子从一个间隙位置跳跃到另一个间隙位置处,从而导致扩散活化能、D值发生改变在酸性海水中,随着阴极极化电位的负移,氢在材料内部的D值逐渐增加,初始氢聚集浓度也依次增大。和天然海水相比,在酸性海水中氢在X80钢材中的D与C图6是天然海水中不同极化电位下X80钢渗氢试样显微组织照片。针状铁素体一般在钢中的夹杂处形核,然后在奥氏体和夹杂界面处形成一种新的类贝氏体组织长大从图7中可以看出,与天然海水中结果相似,在pH值为3.5的酸性海水中,随着极化电位的负移,渗氢试样的表面局部出现氢鼓泡,在微观组织结构图中可以看见蚀坑,如图7g和h所示。酸性海水中,由于X80钢阴极析氢反应的发生,氢在金属基体组织结构内的局部缺陷处相互结合形成氢分子,在材料表面形成氢鼓泡,从而导致材料发生氢脆。与天然海水的结果相比,酸性海水中渗氢试样的氢渗透现象更加严重。与图6相比,图7中的针状铁素体组织较不均匀,位错密度、夹杂物的含量较高,X80管线钢中的微观结构对氢原子的捕获能力加强,使得较多的氢原子滞留在材料内部,材料内部的氢压升高,增大了氢致开裂裂纹的产生可能性,因此钢材表现出较大的氢脆敏感性。2.3充氢电流密度的影响图8a和b分别是X80钢在海水中不同充氢电流密度下的渗氢电流随时间变化曲线,从图中可以看出,不同条件下的渗氢电流曲线其趋势相近,随着介质溶液pH值的减小,氢在材料中的渗透电流密度均增加。当施加3mA/cm表2为不同充氢电流密度条件下D和C从图9和10中可以看出:随着充氢电流密度的增加,进入到金属基体内的氢原子增加,彼此相互结合产生氢分子,导致材料的坑蚀现象较为严重,且酸性越强,坑蚀现象也越容易出现。综合以上可知,以形状不规则的准多边形铁素体(QPF)和针状铁素体(AF)组成的X80钢,在阴极极化超过析氢电位后,仍然有明显的坑蚀,有发生氢脆的趋势。极化电流密度越大,氢脆敏感性越强。由于酸性介质中析氢电位正移,相同极化电位下氢脆敏感性增加。该结果与文献3氢电流密度的影响(1)X80钢在天然海水中析氢电位