不锈钢充氚后的微观组织研究

1 引言

观察氚（氢）在金属中的分布规律以及陷阱效应，不仅具有重要的工程意义，同时也是氢脆研究的基础。目前能够直接显示氢分布方法的报道还很少。离子探针仅为高氢量的微区分析提供了可能性；但对显示微量氢的踪迹，利用氢的同位素氚本身的放射性质，使感光乳剂感光的方法则是较为有效的手段。早期的自射线照相工作一般用在金相试样中研究合金中杂质分布问题。国内杨师信、尹万全用了氚示踪法研究了氚在纯Fe、高比重钨基合金以及堆焊接试样中的分布，发现晶粒边界、亚晶界、碳化物夹杂物等处有氚的偏聚。Saito H和Ishida Y采用阴极充氚技术，在316L不锈钢中充入氚，揭示了晶界对氚的捕集效应，实现了投射电镜薄膜试样的观察。本工作选用HR-1，HR-2，HR-3三种抗氢脆不锈钢为试验材料，用高温气相充氚技术充入氚，进行投射电镜（TEM）研究，对氚在不锈钢中的分布特性进行探讨。

2 试验方法

2.1 试验材料及处理工艺

材料化学成分（质量分数）见表1。试样分别为固溶态处理、5%拉伸变形、高速锻等工艺处理状态。

表1 材料化学成分（质量分数，%）

2.2 样品准备

试样为φ3mm的TEM薄膜，由电解双喷穿孔法制得，穿孔前厚度约为40μm。

2.3 气相充氚

气相充氚温度为420℃，保温时间为7h，充氚后试样经过室温、室温加低温（-4℃）条件下存放180d，促使扩散性释放逸去，以确保安全。

2.4 充氚后组织观察

薄膜试样在充氚脱气存放后进行TEM观察，看其组织是否发生了变化。

2.5 氚自射线照相过程

在充氚后组织观察的φ3mm试样表面涂覆1%火棉胶，再涂以核乳胶层，放入环境温度为-4℃的干燥的氩气密封容器中进行曝光，曝光时间短者12d，长者47d，这主要取决于试样内氚射线的强度。曝光后的试样经显影、定影、清洗，放入乙醇+丙酮溶液中静置，然后进行TEM观察。

3 试验结果与讨论

3.1 充氚样品表面二次离子探针分析

用PHI3600二次离子探针（SIMS）进行了元素深度剖析。

3.2 试样充氚后TEM组织

（1）氚在晶界处产生腐蚀 薄膜试样充氚后经室温脱气180d，进行TEM观察。在HR-1、HR-2、HR-3中，晶界上都分别着间断的小孔，直径约为0.1μm。这是420℃气相充氚过程中，氚（氢）与钢中的C反映生成氚甲烷（CH₄）流下的痕迹。因为CH₄分子在钢中不能通过扩散而逸出，将在晶界的夹杂物上形成CH₄气泡。随着CH₄的不断进入，气泡中CH₄的压力不断增大，从而使气泡长大，它们能互相连接，最后就会产生沿晶界的氢腐蚀裂纹。晶界的CH₄气泡往往在晶界的夹杂物或碳化物上择优形核。当奥氏体不锈钢在450-900℃（特别是650℃左右）加热时，常会沿晶析出M₂₃C₆。

由于试样在气相充氚前进行过700℃除气处理，这更促使氚（氢）在晶界上产生腐蚀。

（2）氚（氢）使晶内位错密度升高 在充氚过程中，试样表层氚（氢）浓度不断增高，就有可能在表层形成氚（氢）气泡或微裂纹。因为此时气泡内部氚（氢）内压可达几个兆帕，根据Sieverts定律，这就可能在其周围产生位错。

3.3 氚自射线照相结果

晶界是晶体的一种缺陷（面缺陷），周围存在着应变场，与此相应就存在一个内应力场，它能和氚应变场相互作用，从而把氢（氚）吸引在自己周围，这就是所谓的陷阱效应。这与采用电解阴极充氚技术在SUS316L中观察到氚在晶界上被捕集到的结果一致。

位错是晶体中另一类缺陷（线缺陷），也具有捕集能力。

金属或合金内部缺陷是不可避免的。由于缺陷处氢（氚）的化学位低于正常位置氢（氚）的化学位，因此各处缺陷附近将会引起氢（氚）的富集，称为陷阱。按氢（氚）与陷阱结合能（阱陷）可将陷阱分为可逆陷阱与不可逆陷阱。表2列出一些 陷阱结合能数据。如数据结合能较小，即使在室温，氢（氚）也能从陷阱中跑出进入间隙位置，参与氢（氚）的扩散及一切氢致开裂过程。

表2 可逆陷阱和不可逆陷阱

奥氏体不锈钢中的氢陷阱大都是低能陷阱。因为在薄膜自射线照相试验中，观察到氢在抗氢脆不锈钢晶界和位错处聚集的同时，也观察到一些无晶体缺陷的地方核乳胶也有被感光的现象。这也许正说明了抗氢脆不锈钢中的陷阱结合低能，在室温氚也能从陷阱中跑出而进入间隙位置，从而造成无晶体缺陷的地方核乳胶被感光的现象。

4 结论

（1）氚（氢）使抗氢脆不锈钢HR-1、HR-2、HR-3晶界产生腐蚀，可能是氚（氢）与晶界初生析出物交互反应生成甲烷所致。

（2）氚（氢）可使晶内位错密度增加。

（3）氚（氢）在抗氢不锈钢HR-1、HR-2、HR-3晶界、位错处聚集。