缺陷对金属氢扩散的影响

研究金属中的氢扩散，通常假设金属为理想氢扩散介质，根据Fick定律计算金属中氢浓度随时间的演变。理想扩散介质将金属原子简化为钢球模型，金属原子不与氢原子发生作用以及不发生氢的捕陷等。由于金属材料中普遍存在缺陷（单晶除外），缺陷对氢有较强的捕获作用，用理想模型处理氢扩散问题误差较大。本申请是在Fick方程中引入缺陷函数、内部氢源函数，以描述真实材料的氢扩散规律；研究Fe单晶带材及变形带材氢扩散特征，获得含缺陷（不同浓度，不同类型）材料的氢渗透曲线；用有限差分方法解经过修正的Fick方程，通过与氢渗透实验曲线拟合确定缺陷函数和内部氢源函数；从而研究金属点线类缺陷、晶界类缺陷以及内部氢源等对氢扩散的影响。本项目完成有利于准确揭示实际使役金属的氢扩散特征及缺陷对氢扩散影响。

金属材料中普遍存在缺陷，缺陷对氢的捕陷作用使得金属中氢扩散的特征偏离理想扩散模型。本项目采用理论计算与实验测量相结合的方法研究缺陷类型及浓度对金属氢扩散的影响。实验方面，本工作制备了多种状态的Ni样品进行氢渗透实验，包括：单晶、定向多晶、变形态（三种）、再结晶态（两种）。对比不同状态Ni样品的微观结构数据和氢渗透曲线特征以及根据渗透曲线计算的表观氢扩散系数和渗透系数，获得不同缺陷类型及密度对金属氢扩散及渗透性能的影响。单晶与定向多晶样品的实验结果对比说明晶界本身是氢扩散的快速通道，将两者的扩散系数（渗透系数）之差看作晶界扩散的贡献，计算得到晶界扩散的扩散系数和渗透系数，远远高于晶格扩散的值。然而，再结晶Ni样品却没有观测到晶界快速扩散的现象，可能因为晶粒较小，晶界扩散路径较长抵消了快速扩散的作用或是晶界处位错密度较大，对氢原子的捕陷作用。不同变形量样品的实验结果显示氢扩散系数随着变形量的增加而降低，因为随变形量增加，变形产生的缺陷密度增加，缺陷对氢原子的捕陷作用延缓了氢扩散达到稳态的速度。另外，根据不同温度下的氢渗透曲线，计算了不同状态Ni样品的氢扩散系数和渗透系数随温度的变化关系，都符合Arrhenius 关系。.理论方面，在Fick第二扩散定律方程中引入描述缺陷捕陷作用的修正项函数，使修正后的Fick定律方程表征含缺陷金属的氢扩散，缺陷函数包括缺陷密度和缺陷对氢的捕陷强度（即缺陷与间隙氢原子的结合能）、温度、氢浓度等参数。采用无限大板状样品的一维扩散模型，运用差分方法解方程，通过对比不同参数解得的渗透曲线，理解不同参数所代表的因素对氢渗透特征的影响。调整缺陷函数的参数，拟合变形量为60％、80％、90％的样品400℃的实验测量曲线，得到缺陷密度分别为1.8e24、2.8 e24、3.2 e24 m-3，缺陷捕陷强度为57 kJ/mol，实现了我们的预期想法——通过理论与实验结果拟合确定实际样品中的缺陷浓度和缺陷对氢原子的捕陷强度。采用同样的方法拟合单晶样品的实验测量曲线得到，400℃时单晶中的缺陷密度为2.5 e23 m-3，捕陷强度为70.8 kJ/mol。 根据缺陷函数各参数对渗透曲线的影响和不同状态Ni样品的实验测量曲线的特征对比，讨论了变形量和热处理温度对缺陷类型和缺陷浓度的影响。