氫擴散
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為此，在建立含夾雜基體的二維氫擴散仿真模型的基礎上，分析了夾雜取向、分布、形狀及尺寸對氫擴散特性的影響規律。研究結果表明：①隨著夾雜與氫擴散之間夾角θ 的增大，氫擴散通量J 和表觀擴散系數Dapp 均下降，且在0°～ 45°范圍的下降幅度遠大于45°～ 90°范圍，夾雜對氫的通道效應減弱，陷阱效應增強；②堆疊式分布的夾雜，其對通道/ 陷阱效應的影響大于并列式分布。θ=90°且靠近加氫側的夾雜會捕獲更多的氫，更易導致材料出現氫鼓泡；③ θ=90°時，夾雜沿不同方向的變形會導致Dapp 呈現相反的變化趨勢，而θ=0°時，Dapp 隨夾雜長短軸比δ 的增大而增大，但當δ ＜ 10時，Dapp 仍小于基體擴散系數；④減小夾雜物尺寸并使其在鋼中彌散可降低氫的大規模富集，從而顯著減小夾雜對氫擴散的影響范圍。結論認為，數值模擬結果揭示夾雜性狀對鋼中氫擴散行為的影響機理，為認識鋼中氫的局部擴散行為和探究氫損傷、氫致開裂等現象具有重要意義，可為純氫系統用鋼的氫損傷預防提供理論支撐和技術參考。
展開 1
氫的擴散特性
氫在金屬中的擴散能力通常用擴散系數D表示。即單位濃度梯度時，在單位時間內，通過單位面積的擴散物質量，單位為mm2/s。在焊接條件下不均勻加熱，不均勻溫度場和應力場，焊接去的各種宏觀缺欠和微觀缺陷、組織種類和形態，都會影響氫的擴散。焊接條件下，氫在焊接區的擴散行為遠比在純金屬中的更為復雜。
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氫擴散系數的影響因素
影響氫擴散系數的因素很多，主要因素有：溫度、鋼種（合金元素和組織）、晶體缺陷、應力和應變等。
(1) 溫度的影響 擴散系數是溫度的函數。當溫度在很大范圍內變化時，金屬的狀態和其中組織也將發生相應的變化。尤其在金屬狀態或組織發生變化的溫度，擴散系數通常發生突變。組織（即晶格類型）不同是，氫的擴散系數隨溫度的變化規律有差別。擴散系數隨溫度變化的一般表達式為
D=D0e-E/RT
式中
D——擴散系數，與金屬結構有關(mm2/s)
D0——擴散常數(mm2/s)
E——擴散激活能(J/mol)
R——氣體常數(J/mol·K)
T——溫度(K)
(2) 晶體結構的影響 合金元素種類和數量決定鋼的種類、組織。鋼的種類和組織不同時，其晶體結構就不同，氫在其中的擴散系數就出現差別。這主要與晶體中的晶格間隙、空位、位錯等有關。面心立方晶格金屬雖然比體心立方晶格中的間隙大，但面心立方晶格的原子密度比體心立方晶格的原子密度大。所以，氫雖然在面心立方晶格金屬中的溶解度大，但擴散速度慢，擴散系數也就小。
氫在不同組織中的擴散系數見表1。由表1可知，氫在奧氏體中的擴散系數遠低于氫在鐵素體、珠光體、馬氏體中的擴散系數，氫在鐵素體、珠光體、馬氏體中的擴散系數為同一數量級。
展開 圖1 兩種高熵合金的相圖、微觀結構和XRD結果比較
圖2 不同溫度對高熵合金氫擴散率的影響
圖3 高熵合金的熱解吸光譜結果
研究發現非等摩爾合金的氫擴散率比等摩爾合金大3個數量級，等摩爾合金的氫擴散率與奧氏體不銹鋼相當。發現H的擴散取決于Cr的濃度，Ni在保證fcc結構中起重要作用，對H擴散的影響較低，盡管兩種合金的晶格參數非常接近，但是H擴散率隨Cr濃度的增加而大大降低。
圖4 所研究的六個系統的氫原子領域
圖5 某些鋼的Cr/Ni比值與氫擴散率的關系示意圖
本文研究了Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs中元素含量對氫擴散和捕獲的影響，氫擴散率隨溫度（300-550℃）而變化，遵循菲克第二定律。本文為高熵合金的設計提供了理論基礎。（文：破風）
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展開 在顯微組織內的鐵碳化物體積分數的增大還歸因于碳化物的低氫超電壓特性。
鋼材表面易于產生并吸附氫，氫原子向鋼材內部滲入的同時，氫的體積分數就可能會增加，最終使得材料的抗氫脆性能顯著降低。
高強鋼材耐腐蝕性和抗氫脆性的顯著降低不僅有害于鋼材的性能，還會極大地限制鋼材的應用。
如汽車用鋼暴露于氯化物等各種腐蝕環境中，在應力作用下，可能出現的應力腐蝕開裂（SCC）現象就會對車身的安全性造成嚴重的威脅。
碳含量越高，氫擴散系數減小，氫溶解度增大。學者Chan曾經提出，析出物（作為氫原子的陷阱位置）、電位、空孔等各種晶格缺陷與碳含量成正比，碳含量增大，就會抑制氫擴散，因此氫擴散系數也較低。
由于碳含量與氫溶解度成正比關系，作為氫原子陷阱的碳化物，體積分數越大，鋼材內部的氫擴散系數越小，氫溶解度增大，氫溶解度也包含了有關擴散性氫的信息，因而氫脆敏感性最高。隨著碳含量的增加，氫原子的擴散系數減小，表面氫濃度增大，這是因為鋼材表面的氫超電壓下降所致。
從動電壓極化試驗結果來看，試樣的碳含量越高，酸性環境中就易于發生陰極還原反應（氫生成反應）以及陽極溶解反應。與具有低氫超電壓的周邊基體進行比較，碳化物發揮了陰極的作用，其體積分數增大。
根據電化學氫滲透試驗結果，試樣內的碳含量和碳化物的體積分數越大，氫原子的擴散系數就越小，溶解度增大。隨著碳含量的增加，抗氫脆性也會降低。
慢應變速率拉伸試驗證實，碳含量越大，抗應力腐蝕開裂性能也會降低。與碳化物的體積分數成正比，隨著氫還原反應及向試樣內部滲透的氫注入量增加，就會發生陽極溶解反應，也會加快形成滑移帶。
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本案例對埋地摻氫天然氣管道在土壤多孔介質影響下的氣體泄漏擴散規律展開了仿真計算。主要涉及到多孔介質，組分傳輸，局部初始化三個部分。計算模型依據相關文獻進行設置，對摻氫20%的天然氣泄漏擴散情況展開分析，通過對該案例的學習與掌握，后續可以對制定管道泄露應急決策方案進行相關指導。
1 workbench 設置
本案例的計算模塊如下圖所示：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
<p>本案例對埋地摻氫天然氣管道在土壤多孔介質影響下的氣體泄漏擴散規律展開了仿真計算。主要涉及到多孔介質，組分傳輸，局部初始化三個部分。計算模型依據相關文獻進行設置，對摻氫20%的天然氣泄漏擴散情況展開分析，通過對該案例的學習與掌握，后續可以對制定管道泄露應急決策方案進行相關指導。</p><p><br></p><p><strong>1 workbench 設置</strong></p><p>本案例的計算模塊如下圖所示
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由于夾雜與基體的邊界作為氫陷阱捕獲氫的同時，還可以作為氫擴散的通道加速氫的擴散[26]，可認為夾雜對氫擴散行為的影響是擴散通道效應和陷阱效應相互制約的結果。隨著夾雜與氫擴散方向之間夾角θ 的減小，夾雜對氫的陷阱效應減弱，擴散通道效應增強。
馬氏體不銹鋼的焊接特點：Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區的淬硬傾向特別大，焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體，在焊接拘束應力和擴散氫的作用下，很輕易出現焊接冷裂紋。當冷卻速度較小時，近縫區及焊縫金屬會形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物，使接頭的塑、韌性明顯降低。
1.氫損傷
【定義】由于氫原子擴散進入金屬本體或與金屬反應引起金屬材料性能的破壞稱為氫損傷。
【部位】氫損傷發生的主要部位在：高溫、高壓氫氣環境下的反應系統設備和管線。
【分類】氫損傷主要可以分為：氫脆、高溫氫腐蝕和氫致剝離。
（1）氫脆
【定義】鋼在臨氫條件下使用，氫以原子狀態擴散浸入晶格內、又以分子狀態聚集于晶界或非金屬夾渣物周圍。
若及時進行調質處理有困難，可進行中間退火或在高于預熱的溫度下保溫一段時間，以排除擴散氫并軟化組織。對結構復雜、焊縫較多的產品，可在焊完一定數量的焊縫后，進行一次中間退火。
40cr交貨狀態
40Cr交貨狀態以熱處理(正火、退火或高溫回火)或不熱處理狀態交貨,交貨狀態應在合同中注明。
信息來源：每天學點熱處理
3 9Ni鋼的焊接問題預防措施
3.1 冷、熱裂紋傾向的預防
冷裂紋產生的原因是應力、淬硬組織和焊縫金屬擴散氫含量；熱裂紋的產生則與應力、雜質和化學成分有關。因此焊接材料的選擇至關重要。通過分析發現NiCrMo-3型焊材對9Ni鋼的焊接有較大優勢。
3、焊接接頭氫減少
熱處理時，焊接接頭溫度升高，氫不斷增加擴散速度，向外逸出，一般說在加熱300℃以下，保溫2—4小時，可達到
去
氫目的，何況加熱到550—650℃時，去氫目的完全達到。
鍍鎘層是最難擴散的，鍍鎘時產生的氫，最初停留在鍍層中和鍍層下的金屬表層，很難向外擴散，去氫特別困難。經過一段時間后，氫擴散到金屬內部，特別是進入金屬內部缺陷處的氫，就很難擴散出來。常溫下氫的擴散速度相當緩慢，所以需要即時加熱去氫。
