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1、2009年8月材料开发与应用·85·文章编号:100321545(2009)0420085205氢在钢中晶格间隙和氢陷阱之间的扩散模式1213王征,王禹华,李连杰,陈觉之(1.武汉海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033;2.海军驻洛阳407厂军事代表室,河南洛阳471039;3.海军指挥学院信息系,江苏南京211800)摘要:氢在晶格间隙和陷阱点的扩散包括:氢在晶格间隙之间的扩散,氢从晶格间隙扩散到陷阱点,氢从陷阱点逃逸到晶格间隙的过程。本文运用气体在金属中的扩散理论,分析了氢在钢中晶格间隙和氢陷阱之间的扩散模
2、式,以及通过扩散在两者之间建立的平衡状态。氢陷阱中氢浓度随时间的变化率等于晶格间隙的氢扩散到陷阱点引起的氢浓度变化率减去陷阱点中氢逃逸到晶格间隙引起的氢浓度变化率,其数学关系式符合McNabb和Foster建立的氢陷阱模型。氢在晶格间隙和陷阱点之间的平衡,实质是氢在晶格间隙的化学势μL和氢在陷阱点的化学势μT之间达到局部平衡,氢在陷阱中的占据分数很低的情况下(θTn1),氢的有效扩散系数Deff的表达式是与陷阱结合能EB有关的温度函数。关键词:氢;晶格间隙;氢陷阱;扩散模式中图分类号:TG422文献标识码:A氢在钢中并不
3、是均匀分布的,氢不仅在晶格9CL12]-DL·ýCL=0(2)间隙存在,还以原子形态在组织缺陷处存在,组9t9CT1+织缺陷包括空位、位错、晶界、第二相微粒和微空9CL洞。这种捕获氢的机制就称为陷阱机制。金属当钢铁材料发生塑性变形时,位错和晶界的内部氢陷阱点的氢原子和晶格间隙点的氢原子,增加将会打破晶格间隙的氢浓度和陷阱的氢浓在扩散机制的作用下会达到一个稳定的平衡。度的平衡。将(2)式和菲克第二定律比较,晶格间隙氢1氢在钢中扩散的有效扩散系数的有效扩散系数Deff可以定义如下:1DeffDeff=DL(3)9CT1+9C
4、LMcNabb和Foster在解释氢在晶格点和陷阱[1]的扩散时,数学模型可以描述如下:2氢在晶格间隙和陷阱点的能量9CL9CT29+-DLýCL=0(1)变化t9t其中,CL是氢在晶格间隙的浓度,CT是氢在晶格间隙的氢原子只要大于晶格点扩散激陷阱点的浓度,DL是扩散系数。活能的势垒,将有可能进入陷阱点,反之,陷阱点(1)式还可以表达:2的氢原子获得了高于陷阱逸出的能量,也有可能9CLDL·ýCL9CL12=·=DL·ýCL转化成晶格间隙内的氢。9t9CL9CT9t9CT+1+9t9t9CL[H]L[H]T[H]L:晶
5、格间隙的氢;[H]T:陷阱点的氢。收稿日期:2009-01-09作者简介:王征,男,1978年生,船用材料与应用工程专业博士研究生。主要从事船舶焊接材料与工艺方面的研究,发表论文5篇。E2mail:wangzheng0921@126.com·86·材料开发与应用2009年8月[3～5]如图1所示,氢在金属内的移动包括:氢在重要手段。晶格间隙的扩散,氢从晶格间隙扩散到陷阱点,氢从陷阱点逃逸到晶格间隙。3氢从晶格间隙扩散到陷阱点的模式晶格间隙中的氢原子在晶格间隙以固有的振动频率振动,假设氢原子处于势垒顶峰位置时,穿透势垒的频
6、率在数值上与原子处于平衡位置时的13[6]振动频率相等,而且频率的大小v≈10/s。晶格间隙中的氢原子在晶格间隙中自由扩散,并在振动作用下,氢原子成功越过了势垒,这时如果晶格间隙的相邻点存在有氢陷阱点,则氢原子就有可能成功落入氢陷阱点。从概率统计的角度分析,这个落入陷阱点的几率在整体上可以认为图1氢在钢中的自由能变化示意图—是正比于未被占据的氢陷阱点CT占所有未被占2.1氢在晶格间隙之间的扩散过程——在图1中,从1→2→3所需的扩散激活能为据的晶格间隙CL和未被占据的氢陷阱点CT之ELL,即氢原子从1点能成功越过2点的晶
7、格势和的比例,即:—垒,所以氢在晶格间隙之间的扩散激活能ELL=9CTCT=Lk·——(4)E2-E1=ED(晶格间隙激活能),在文献[2]中α29tL→TCT+CLFe的ED=7kJ/mol,最终的能量变化ELLf=E3-9CT:陷阱点的氢原子逃逸到邻近晶格间E1=0。9tL→T2.2氢从晶格间隙扩散到陷阱点过程隙,陷阱点的氢浓度随时间的变化率;Lk:比例参见图1,从3→4→5,所需的扩散激活能为系数。ELT,即氢原子从3点能成功越过4点的晶格势间隙机制中,假设原子处于势垒顶峰位置垒,所以氢从晶格间隙扩散到陷阱点的扩散
8、激活时,穿透势垒的频率与原子在平衡位置时的振动13能ELT=E4-E3=ED,最终的能量变化ELTf=E5频率相等,且大小v≈10/s,则原子在单位时间[7]-E3=-EB,为放热过程。内发生跳跃的几率Γ=v×exp(-ΔG/RT),其2.3氢从陷阱点逃逸到晶格间隙过程中ΔG为扩散激活能。参见图1,从5→6→7所需的
