Review of Hydrogen Embrittlement in Metals: Hydrogen Diffusion,Hydrogen Characterization,Hydrogen Embrittlement Mechanism and Prevention

Hydrogen dissolved in metals as a result of internal and external hydrogen can affect the mechanical properties of the metals, principally through the interactions between hydrogen and material defects. Multiple phenomena such as hydrogen dissolution, hydrogen diffusion, hydrogen redistribution and hydrogen interactions with vacancies, dislocations, grain boundaries and other phase interfaces are involved in this process. Consequently, several hydrogen embrittlement(HE) mechanisms have been successively proposed to explain the HE phenomena, with the hydrogen-enhanced decohesion mechanism, hydrogenenhanced localized plasticity mechanism and hydrogen-enhanced strain-induced vacancies being some of the most important. Additionally, to reduce the risk of HE for engineering structural materials in service, surface treatments and microstructural optimization of the alloys have been suggested. In this review, we report on the progress of the studies on HE in metals, with a particular focus on steels. It focuses on four aspects:(1) hydrogen diffusion behavior;(2) hydrogen characterization methods;(3) HE mechanisms; and(4) the prevention of HE. The strengths and weaknesses of the current HE mechanisms and HE prevention methods are discussed, and specific research directions for further investigation of fundamental HE mechanisms and methods for preventing HE failure are identified.     

氢和氢同位素渗透壁垒层的研究进展

概述了防止氢和氢同位素渗透壁垒层的研究进展,展望了这些壁垒层在钛和钛合金基体上的应用前景.根据钛和钛合金局部热氢处理的实际情况,提出开发一次性自剥落热氢处理用阻止氢和氢同位素渗透的高效壁垒层的必要性与可行性.通过对热氢处理用渗透壁垒层应具备的特性进行分析,认为高Al2O3含量的硅酸盐玻璃陶瓷涂层将是未来研究的重要候选壁垒层.     

Nb—Ti—Ni合金的显微组织与氢渗透性能

研究了Nb50Ti25Ni25及Nb40Ti30Ni30合金的显微组织及氢渗透性能,并与贵金属Pd、Pd-Ag合金及纯Nb的氢渗透性能进行了比较.两种合金的显微组织均由先析出的bcc-Nb(Ti,Ni)固溶体和bcc-Nb(Ti,Ni) B2-TiNi共晶组成.随Ni、Ti合金元素含量增加,合金中共晶相的含量增加.氢渗透温度为673 K时,两种合金的氢渗透系数分别为1.71×10-8和1.03×10-8mol·in-1·s-1·Pa-0.5,接近Pd的氢渗透系数,略低于Pd-Ag合金的氢渗透系数.共晶相的比例增加有利于提高合金的抗氢脆性能,增加先析出相的比例可提高合金的氢渗透系数.适当调整合金元素含量可获得综合性能良好的氢渗透合金.     

氢渗透阻挡层在CO2中的破坏

为了了解氢渗透阻挡层在700℃下的CO2气氛中的工作能力,用电镀Cr-C的方法在氢化锆表面建立氢渗透阻挡层后,在0.1MPa的CO2气氛中700℃下保温72h,再用SEM对其表面进行观察分析.结果发现,阻挡层有粉化现象且在局部发生脱皮和剥落.分析粉化的原因是阻挡层中的碳达到过饱和,在脱落处的表面发现的空洞可以说明预存的物理缺陷是阻挡层发生剥落的必要条件.由此可以确定这种氢渗透阻挡层在700℃下不宜在CO2气氛中使用.     

石油用S135钻杆钢氢渗透与氢致滞后开裂行为

通过电化学渗氢技术与恒载荷拉伸试验方法,研究了不同充氢电流密度下S135钻杆用钢的氢扩散系数、试样中的可扩散氢浓度及其氢致开裂门槛应力。结果表明,S135钻杆用钢在0.5 mol/L H2SO4+0.25 g/L As2O3溶液中电化学充氢后的可扩散氢浓度C0与充氢电流密度的平方根i成正比,恒载荷条件下,氢致开裂门槛应力σHIC随可扩散氢浓度的对数lnC0的升高而下降。     

Research on Crack-Filling Heat Treatment and Hydrogen Permeation Test of Self-healing Tritium Permeation Barriers

A TiC + mixture (TiC/Al₂O₃ (1:1 wt.%)) +Al₂O₃ self-healing triple layer coating (TLC) was designed and manufactured by our group, and the crack-filling heat treatment process had been roughly explored in the past. In this work, the accelerating test with a thick TiC + mixture (TiC/Al₂O₃ (1:1 wt.%)) double-layer coating (DLC) was carried out. The DLC coating warped when the heat treatment temperature was lower than 550 °C, which was rare in similar researches, and it crushed into fan-shaped pieces when the treatment temperature was higher than 650 °C. The two different spalling failures were explained by weight gain, porosity and stress analyses. The heating rate had a significant effect. The bonding strength and hydrogen permeation of the TLC samples were also tested. Remaining at 650 °C for 40 h was proved to be an optimal crack-filling heat treatment process, considering the hydrogen resistance.     

金属氢渗透研究综述

综述了氢渗透的研究方法和研究历史,总结了当前对氢损伤机理的研究,以及在易发生氢脆环境下的氢渗透行为规律和影响氢行为的因素。在这些研究的基础上,国内外先后开发了许多氢渗透防护技术,如:阻碍氢原子渗入基体,在材料表面制备涂镀层;消除钢中有害元素的方式,改变中氢原子陷阱的数目;从组织入手,开发高纯度、高抗氢钢,包括一些系列铁素体合金钢等。综述了从传统的电沉积阻氢合金镀层,到新工艺制备阻氢陶瓷层的发展。阻氢涂层具有阻氢性能极佳,兼具保护作用的优点,但容易失效,破损后会加快基体的局部腐蚀;而通过冶金、热处理来净化钢材,改变组织成分开发的纯净钢,其实际抗氢脆性能并不理想,仍然会出现氢引起的力学性能下降,并且具有控制工艺复杂、能耗大的缺点。由此认为,氢一旦进入金属材料内部,造成材料的性能损伤不可避免,防止氢进入金属材料是该领域的关键科学问题。氢渗透过程是氢损伤发生的关键步骤,那么阻碍氢渗透过程的进行就成了氢损伤防护措施的重中之重。抑制氢渗透过程的发生需要从降低氢原子浓度梯度、降低材料内部氢陷阱密度和结合能两方面入手,开发有效的抑氢手段,抑制氢渗透过程,使材料内部的氢原子浓度小于临界氢原子浓度。     

透氢非钯基金属膜研究进展

相比于变压吸附和深冷分离法,膜分离技术由于能耗低、简单易行等特点,在氢气分离提纯中的应用具有优势。目前工业上分离提纯氢气应用最多的是致密金属膜,尤其是钯及其合金膜。但是钯是贵金属,成本非常高,限制了钯基膜的大规模应用。因此目前非钯基致密金属膜在氢气分离提纯中的应用受到广泛的的关注,成为研究热点。本文综述了金属膜分离氢气机理,非钯基金属膜的材料成分及其发展现状,并指出目前开发膜材料存在的一些亟待解决的问题。     

碳和氧在氢渗透阻挡层中的作用

为了了解氢渗透阻挡层的阻氢机理,在氢化锆表面电镀Cr-C后,再对镀层进行热处理(400℃),最后把试样在700℃的真空中保温10h.用EDS法对没有进行热处理的镀层的成分进行分析,再用X射线光电子能谱(XPS)研究氢渗透阻挡层不同深度处的化学态,并对阻挡层原子进行定量分析.结果发现:未热处理的镀层主要含有C和Cr,阻挡层中含有C、O、Cr和Zr,进行氢渗透试验(700℃保温)后的阻挡层中C-H和O-H含量都增加,前者更明显.由此可说明H因破坏C、O原来的成键方式而被C、O捕捉,C对氢渗透阻挡层的作用大于O的作用.     

氢渗透合金膜的研究现状及发展趋势

氢渗透合金膜是一种重要的氢气提纯材料。本文简要介绍了目前存在的几种氢渗透合金膜的研究进展和各自的优缺点,重点讨论了氢渗透合金膜的工作原理、氢渗透性能和制备方法;详细分析了影响氢渗透性能的关键因素,包括氢渗透系数、氢扩散系数、氢溶解系数和氢脆性,提出了通过改善氢渗透合金膜的微观结构以提高膜材料的抗氢脆性、提高氢渗透系数和扩散系数的方法,最后对合金膜的发展趋势进行了探讨。     

钛及钛合金的氢渗过程研究

氢在钛中的扩散渗透进程分为3种模式，一是渗入钛基体中的氢与钛氢化合物自身分解的氢在氢压的推动作用下在钛基体内扩散；二是氢被位错所携带一同运动而进行扩散；三是形成的钛氢化合物的生成和迁移。     

氢在Gasar工艺常用纯金属中的溶解度

对于氢在纯金属巾的溶解度,文献中的大量数据存在分散性,不便选用.本文搜集到了大量氢在Gasar工艺常用的五种纯金属Al,Mg,Cu,Ni和Fe中的溶解度数据及其经验公式,按照lg[H]=-A/T B 0.5lg(pH2/101325)统一形式与单位后,考虑其溶解度常数A和B的波动,选择溶解度比较接近的数据,对其A和B值求平均,得到了新的溶解度计算公式,作为Gasar试样气孔率预测、浓度场计算、气孔生长数值模拟及多元合金中气体溶解度计算等工作的基础.     

渗氢用钯基膜的研究现状

介绍了渗氢用钯基膜的渗氢机理、影响因素以及制备技术的进展情况。重点阐述了钯基膜的种类及其各自的应用。钯膜的发展经历了从最初的纯钯膜、钯合金膜(主要为钯银、钯钇合金)到目前备受关注并具有良好应用前景的钯及钯基复合膜(如多孔陶瓷、多孔不锈钢基体等)。钯膜的合金化,不仅能提高膜的氢渗透率,而且更重要的是可以提高钯膜的抗氢脆能力,延长钯膜的寿命,扩展钯膜的适用范围。而钯复合膜的研究成功,在保证膜的机械稳定性的前提下,降低了钯膜的厚度及成本,并极大地提高了钯膜的氢渗透率。     

氢渗透传感器及其在海洋腐蚀环境中的应用

目的探究电化学氢渗透传感器在海洋腐蚀环境中的适用性以及相应腐蚀环境下高强度钢的氢渗透行为。方法设计和制作系列氢渗透传感器,将氢渗透传感器置于海洋大气腐蚀环境、模拟浪花飞溅区腐蚀环境和模拟海洋潮差区腐蚀环境,通过电化学氢渗透技术反映自然腐蚀条件下由腐蚀导致的氢向AISI 4135高强钢材料的渗透情况。结合各腐蚀环境下影响材料腐蚀速率的因素,分析各腐蚀环境下氢产生的机理。结果海洋大气腐蚀环境下由腐蚀引起的材料的氢渗透电流密度处在一个较小的数量级,氢渗透电流的大小与大气的绝对湿度呈正比例关系;模拟浪花飞溅区腐蚀环境下,氢渗透电流的大小与模拟浪花飞溅效应的海水喷淋间隔时间相关,相较于海水喷淋间隔为1min条件下的氢渗透电流密度,喷淋间隔为10min条件下的氢渗透电流密度的最大值更大。处于模拟海洋潮差区腐蚀的材料的氢渗透电流呈现周期性波动,并且前期氢渗透电流的波动幅值较大,而后趋于稳定。结论电化学氢渗透传感器在检测大气腐蚀环境和模拟浪花飞溅、模拟海洋潮差环境下由腐蚀引起的氢渗透电流的应用中,展现了良好的稳定性和可靠性,表明了相应试验海洋腐蚀环境下氢渗透电流的特点,不同腐蚀环境下材料的氢渗透行为差...     

Phase-Field Modeling of Hydrogen Diffusion and Trapping in Steels

Hydrogen embrittlement of steels is directly linked to hydrogen diffusion and trapping in the microstructure,which can hardly be precisely measured by modern experimental techniques.A phase-field model,in which a chemical potential well of hydrogen in the grain boundaries is introduced,is proposed to simulate hydrogen diffusion and trapping in the polycrystal-line iron.It was interestingly found that grain boundaries,as connected trap sites,have a complex influence on the effective diffusivity of hydrogen,which are strongly linked to grain boundary diffusivity and binding energy.     

氢对酸性气田低合金钢氢渗透及应力腐蚀行为的影响

采用电化学氢渗透、慢应变速率拉伸（SSRT）实验和体视显微镜、SEM观察断口形貌的方法进行探究80SS低合金油管钢在饱和CO2模拟采出水环境中，氢对氢渗透和应力腐蚀开裂行为的影响。结果表明，随着溶液H+浓度增大，酸性的增加，氢渗透参数i^∞、D和"C" _"0" ^"H" 均会增大，有助于氢原子的扩散行为；在拉应力和氢原子的协同作用下，与空拉对比，80SS低合金钢的断裂时间减少了近50%，发生了由韧性断裂到脆性断裂的变化，随着溶液氢浓度的增大，对钢材引起的力学损伤增强，应力腐蚀敏感性增大；80SS钢在含饱和CO2采出水介质中拉伸时，预充氢前后的指数Iδ由3.16增大到8.49，预充氢加大了试样的应力腐蚀开裂敏感性；在含1% HAc的饱和CO2采出水中拉伸时，预充氢前的微观形貌呈现出河流花样，出现准解理断裂特征，而预充氢后的80SS钢纤维区分布有不连续裂纹和小孔状结构，与预充氢前的相比，预充氢增加了钢的塑性性能，降低了钢材的应力腐蚀开裂敏感性。     

铝合金熔体中氢溶解度的计算模型

基于Sieverts定律和多元合金组元活度系数计算模型,建立了一个计算氢在多元合金熔体中的溶解度的计算模型,该模型只需要氢在纯金属熔体中的溶解度参数,为预测多元合金熔体中氢含量提供了有效的途径.以此计算了氢在多种铝合金熔体中的溶解度随温度变化的情况,计算结果与实验值吻合较好.     

氢在钢铁表面吸附以及扩散的研究现状

氢进入钢铁内部是其发生氢脆的前提,而氢在管线钢表面经历物理吸附、解离、化学吸附、扩散一系列过程才能进入管线钢内部,其中氢原子的化学吸附以及氢扩散是关键步骤。综述了氢在钢铁表面吸附、扩散的研究方法、成果,展望了氢吸附以及氢扩散的研究方向。目前研究氢吸附的主流方法是第一性原理计算。在氢扩散研究方面,试验研究能够分析钢铁组织、相、宏观尺度因素变化对氢扩散的影响;有限元、分子力学、第一性原理多种尺度模拟计算可以分析微区结构变化对扩散的影响。氢在表面的吸附以及表层原子的扩散对氢脆有重要影响,但氢原子在钢铁表面的吸附以及表层扩散主要集中在无缺陷的αFe表面。氢与缺陷的相互作用研究主要集中在体相内部,钢铁表面状态的变化对氢吸附以及表层扩散的影响相关报道较少。需进一步开展在含缺陷钢铁表面的氢吸附研究,阐释表面应力、位错、晶界、相界、合金元素等因素对氢吸附、表层区域氢扩散的影响机理。     

氢在不同钢组织中的扩散

用阴极电解充氢法,对预制塑性变形的退火,正火及淬火低碳钢板的充氢及逸氢过程进行了研究,回归出经验公式,计算出Ｄ和Ｅ,以及Ｄ,Ｅ和Ｃａｖ三者间关系。结果表明：充氢时,Ｃａｖ及Ｄ依退火,正火和淬火的顺序增大,Ｅ则依次减小;逸氢时,Ｃａｖ及Ｅ依上述顺序增大,Ｄ则依次减小。此外,随塑性变形量的增大,充氢时的Ｃａｖ及Ｅ增大,Ｄ减小。     

Diffusion modeling in cemented carbides: Solubility assessment for Co,Fe and Ni binder systems

The increasing interest in alternative binder solutions for WC based cemented carbide systems leads to more integration of ICME (Integrated Computational Materials Engineering) based concepts in the materials development. This work investigates the non-equilibrium W and C solubilities upon furnace-cooling in a wide range of Co and Fe-Ni based binder systems by computational means. It is shown that the solubilities strongly depend on the C-activity and binder matrix elements, revealing that Ni dissolves most W and Fe most C out of the investigated systems. Furthermore, the effect of the binder mean free path and the cooling rates on the solubilities was investigated. The presented method and results provide insights to control the binder chemistry and will help to design the properties for future binder systems in a fast and efficient way.