高强管线钢中亚微米级夹杂物与氢作用机制及其对氢扩散的影响

In the proposed study, diffusion Hydrogen (H) content, irreversible H content, apparent diffusion coefficient of H, the activation energies of H diffusion and the binding energies for H trapping will be determined through different experiments. The intrinsic relevance of H content, the kinetic parameter of H diffusion and the chemical composition of inclusions with submicron size will also be investigated. The distribution law of H at the interface of inclusions and steel matrix will be analysized by implying 3DAP and SKPFM, and the interaction energies of H and the interface of submicron sized inclusion and the steel matrix will be studied theoretically by using first principle method. Based on these investigations, the microscopic physical model for the behaviors of H at interface of inclusion and steel matrix will be built; the effects of submicron size inclusion on the diffusion dynamics of H in high strength pipeline steel and related mechanism will be elucidated. This study can not only enrich the theory of H diffusion in steel and promote the understand of HIC mechanism, but also provide the theoretical basis and data for improving HIC resistance of high strength pipeline steel by effectively controlling chemical composition and size of inclusions.

本项目拟通过不同实验测定高强管线钢试样中的扩散H和不可逆H含量，H扩散系数、H扩散激活能和H陷阱结合能，研究高强管线钢中亚微米级夹杂物化学成分与H含量和H扩散动力学之间的内在关联；采用三维原子探针显微术（3DAP）和扫描卡尔文力显微镜（SKPFM）分析亚微米级夹杂物/钢基体界面周围H分布演变规律，运用第一性原理计算H与亚微米级夹杂物之间的相互作用能，建立亚微米级夹杂物/钢基体界面与H相互作用机制的微观模型，阐明亚微米级夹杂物对H扩散动力学的影响机理及规律。本项目实施不仅可以补充和丰富H在钢中的扩散理论，增进对HIC失效机理的认识，而且可以为通过有效控制夹杂物改善高强管线钢抗HIC性能提供理论依据和数据支持。

非金属夹杂物对氢在钢中扩散动力学和HIC行为的影响不仅取决于其种类，还取决于其形态和尺寸。然而，有关夹杂物尺寸降至亚微米级后对氢在钢中扩散行为影响的机理尚不明确。基于此，有必要对管线钢中亚微米级夹杂物化学成分对H扩散动力学行为的影响进行全面、系统的研究。采用三种不同的夹杂物脱氧改性剂对高强管线钢中的夹杂物进行了改性，研究高强管线钢中亚微米级夹杂物化学成分与H含量和H扩散动力学之间的内在关联。主要结论如下：.1.采用Ti、Mg复合脱氧改性方法能降低夹杂物的尺寸至亚微米级，不同的改性性方法得到的夹杂物成分、形态和分布各不相同。试验钢中大尺寸氧化物是引起HIC裂纹的主要原因，尺寸大于5μm的Al-Ti的氧化物夹杂的聚集和呈链状分布MnS和Ti-Si-Mn氧化物复合夹杂可以诱导出HIC裂纹，当钢中夹杂物均为椭球形且弥散分布、尺寸细小时，可以有效提高其抗HIC性能。.2.条状氧化物夹杂不仅使钢基体畸变和内应力增加，而且显著地增加了试样中不可逆氢的量，并导致氢的局部聚集，使HIC裂纹更易在条状夹杂物处产生，最终增加了其较高的HIC敏感性；而通过Ti-Mg复合脱氧改性可以使试验钢中夹杂物细小、弥散分布，显著减少大尺寸夹杂物数量，降低试样中可逆氢浓度，有效提高钢的抗HIC性能，但当试样中小尺寸夹杂，同时也有大夹杂物存在的时候，即使可逆氢浓度不大，也会有较大HIC敏感性。.3.钢中具有较大剪切模量的夹杂物可以存储更多的氢原子，而它们的触发HIC临界尺寸较低。一些典型的氧化物夹杂物的临界裂纹形核尺寸在0.1~0.4μm范围内，而MnS的临界尺寸较大，约为~2.5μm。钢中MnS复合氧化物夹杂物比单纯氧化物夹杂物具有更好的HIC抗性。结合实验和数值结果可知，通过MnS夹杂物与其他氧化物夹杂物的复合，可以帮助扩大氧化物夹杂的HIC形核的临界尺寸。而钢中氧化物非金属夹杂物往往优先析出，进而又可以反过来细化MnS夹杂物的尺寸，以这种互补的方式可有效改善管线钢的抗HIC性能。