Возможности захвата атомов водорода в сталях межфазными границами феррит / цементит. 2. Теория адсорбции

Abstract

Известно, что межфазные границы феррит / карбид в сталях могут являться центрами захвата атомов водорода. В работе рассмотрена адсорбция атомов водорода на границах феррит / цементит в углеродистых сталях. Проведены экспериментальные исследования по насыщению водородом в сероводородсодержащей среде согласно стандарту NACE Standard TM 0177-2005 образцов углеродистой стали У10 со структурой грубо- и тонкопластинчатого перлита (межпластиночное расстояние S  0,36 и 0,085 мкм). После насыщения и 4-месячного вылёживания при комнатной температуре было определено содержание водорода в образцах. Оно выросло по сравнению с образцами, не подвергавшимися наводороживанию, с 6,85 до 8,4 и с 8,45 до 13,5 мас. ppm для образцов с грубо- и тонкопластинчатым перлитом соответственно. Наблюдение структуры в просвечивающем электронном микроскопе показало, что при наводороживании изменяется состояние цементита в перлитных колониях: его пластины кажутся толще за счёт визуального размывания межфазной поверхности, по длине пластин появляется неоднородный контраст. По-видимому, эти изменения связаны с поглощением межфазной поверхностью водорода. Проведено теоретическое рассмотрение адсорбции водорода на межфазных границах в рамках теории Ленгмюра. Если принять оценку плотности мест захвата водорода на межфазных границах 6,627•1014 см–2, сделанную в первой части работы из кристаллогеометрических соображений, и сопоставить её с наблюдаемыми в эксперименте значениями количества поглощённого водорода, то доля заполненных мест захвата оказывается значительно меньше единицы (0,15–0,20). Энергия связи водорода с межфазной границей по литературным данным равна 12,66 кДж/моль; тогда на основании полученных экспериментальных результатов предэкспоненциальный множитель в уравнении адсорбции приближённо равен 2,2•10–4 / S. Это означает, что эффективная растворимость водорода в тонкопластинчатом перлите может повышаться в 1,5–2 раза. Аналогичный анализ может быть применён и для захвата водорода другими межфазными границами. Он укладывается в рамки подхода Ориани и в сочетании с ним может использоваться для оценки общего количества связанного водорода в стали с учётом действия всех типов ловушек. Ferrite / carbide interfaces in steels are known to be possible trapping sites for hydrogen atoms. The present work deals with hydrogen adsorption at ferrite / cementite interfaces in carbon steels. Experiments on hydrogenation of 1.0 pct C steel specimens having coarse and thin-plate lamellar pearlite structure (interlamellar spacing S  0,36 and 0,085 m) were carried out in H2S-containing solution according to NACE Standard TM 0177-2005. After hydrogenation the specimens were held in air for 4 months, and then hydrogen concentration was evaluated using LECO RH402 hydrogen analyzer. It was found to increase from 6.85 to 8.4 and from 8.45 to 13.5 wt. ppm (related to specimens not subjected to hydrogenising treatment) for the coarse and thin-plate pearlite specimens correspondingly. TEM study showed that hydrogenation changes the state of cementite lamellae in pearlite colonies: they look thicker due to visual blurring of interfaces, and a non-uniform contrast appears along them. These changes are to be ascribed to hydrogen pickup by the interphase interfaces. Hydrogen adsorption at ferrite / cementite interfaces is treated theoretically in terms of Langmuir theory. Accepting the estimate of trapping site density at interphase interfaces of 6.627•1014 cm–2 made in the first part of the work from crystal geometry considerations and comparing it with experimentally observed amounts of absorbed hydrogen one can find that the fraction of occupied trapping sites is much less than unity (0.15–0.20). Binding energy of hydrogen at the interface is 12.66 kJ/mole according to existing data, so from experimental results the pre-exponential factor in the adsorption equation may be evaluated to 2.2•10–4 / S. This means that effective solubility of hydrogen in disperse lamellar pearlite may increase 1.5–2 times. The same analysis can be applied to hydrogen trapping at different types of interfaces. It lies in the framework of Oriani’s approach and can be combined with it to evaluate the total amount of bound hydrogen in steel with the account of all kinds of traps.