ph值對mcpx80管線鋼氫脆敏感性的影響

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(chǔ)上，實現(xiàn)了空冷或控制冷卻和加速冷卻的技術(shù)。由于TMCP工藝在不添加過多合金元素,也不需要復(fù)雜的后續(xù)熱處理的條件下生產(chǎn)出高強度高韌性的鋼材,被認為是一項節(jié)約合金和能源、并有利于環(huán)保的工藝,故自20世紀80年代開發(fā)以來,已經(jīng)成為生產(chǎn)低合金高強度寬厚板不可或缺的技術(shù)海洋環(huán)境中氫有可能進入到海洋設(shè)施的金屬構(gòu)件中。對很多金屬來講,氫對其力學(xué)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(xué)性能,使其在使用過程中遭受破壞和斷裂,目前國內(nèi)外有許多專家學(xué)者從微觀結(jié)構(gòu)、組成成分等角度出發(fā)對氫在材料內(nèi)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(jié)合電化學(xué)測試及掃描電鏡觀察,研究不同pH值的海水環(huán)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(zhì)實驗用X80鋼成份(質(zhì)量分數(shù),%)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(guī)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(zhì)為青島小麥島天然海水,酸性海水則采用1mol/LHCl溶液調(diào)節(jié)天然海水的pH值至3.5±0.2(原海水中C電化學(xué)實驗在Gamry電化學(xué)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(shù),L是金屬試片的厚度(cm),t采用JSM-6700F型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)進行試樣顯微組織觀察。試樣經(jīng)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(jié)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(huán)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(yīng)由氧活化控制轉(zhuǎn)變成由氧的擴散過程控制,在該拐點之前陰極反應(yīng)是由氧活化控制,主要是進行氧還原反應(yīng),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(yīng)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(yīng)由氧擴散控制,在b點之后陰極反應(yīng)過程中氫的去極化過程占主要地位,即主要發(fā)生的陰極反應(yīng)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(fā)生正移至-900mV左右,這說明pH值的降低明顯促進了析氫反應(yīng)的發(fā)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(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)滲氫電流密度與背景電流密度較為接近。當(dāng)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(huán)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(huán)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(dāng),略小。有效擴散系數(shù)D、表觀溶解度C從表1可以看出,當(dāng)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(shù)為定值,在本實驗中計算所得到的氫擴散系數(shù)都各不相同,這是因為進入到材料內(nèi)部的氫原子濃度在隨著極化電位的負移而不斷增加。當(dāng)氫原子的濃度較高時,氫原子相互之間可能會產(chǎn)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(dǎo)致擴散活化能、D值發(fā)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(nèi)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(jié)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(xiàn)氫鼓泡,在微觀組織結(jié)構(gòu)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(yīng)的發(fā)生,氫在金屬基體組織結(jié)構(gòu)內(nèi)的局部缺陷處相互結(jié)合形成氫分子,在材料表面形成氫鼓泡,從而導(dǎo)致材料發(fā)生氫脆。與天然海水的結(jié)果相比,酸性海水中滲氫試樣的氫滲透現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(nèi)部,材料內(nèi)部的氫壓升高,增大了氫致開裂裂紋的產(chǎn)生可能性,因此鋼材表現(xiàn)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(zhì)溶液pH值的減小,氫在材料中的滲透電流密度均增加。當(dāng)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(nèi)的氫原子增加,彼此相互結(jié)合產(chǎn)生氫分子,導(dǎo)致材料的坑蝕現(xiàn)象較為嚴重,且酸性越強,坑蝕現(xiàn)象也越容易出現(xiàn)。綜合以上可知,以形狀不規(guī)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(fā)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(zhì)中析氫電位正移,相同極化電位下氫脆敏感性增加。該結(jié)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