浅谈标准定量测氢装置（HTDS）在材料行业的应用以及创制耐氢脆耐腐蚀材料新方针

浅谈标准定量测氢装置（HTDS）在材料行业的应用以及创制耐氢脆耐腐蚀材料新方针 王道元① 林安德 ② ① 日本创元企业家(科技)商学院　院长/教授/九州大学工学博士 　　　　　　 北京创元国际有限公司/滨州创元设备机械制造有限公司董事长 ② 日本九州大学 名誉教授/东京大学博士 ２０１４年5月16日 自古以来人们就认识到在大气以及各种环境下服役的钢材会发生腐蚀和突然氢脆失效。自古以来人们也就开始研究氢含量，氢存在状态等和氢脆的相关性。如中国科学院金属所所第一任所长李熏院士在1937-1940年留学英国雪菲尔德大学时的博士研究方向就是氢5脆。可见关16于氢脆研究的理论和实践等方面的重要意义。 随着人们对汽车轻量化，长寿命的追求，人们将越来越多地使用高强度钢。再者随着人们对燃料电池清洁能源和氢发动机的渴求，人类将逐渐进入大量使用氢的社会。这使得氢社会氢安全性问题研究变得空前迫切。因此各国数十年来一直投入大量人力物力开展氢脆的研究。 研究氢脆的进展往往和科学假说以及研究手段息息相关。历史上有很多实验和氢有关，LECO标准试样可以较为准确地测量氢总量，对氢脆研究就是一大贡献。然而渐渐满足不了人类对氢脆研究的需求。因为他无法解决样品加工带来氢的逃逸、大样品或零件无法直接测试、无法得到不同温度下氢的含量与状态等长期困扰人们的问题 日本率先在上个世纪90年左右提出钢材中氢可以分为扩散氢和非扩散氢的概念并由此研发出可以分别准确定量测量钢材中非扩散氢和扩散氢的装置TDS。TDS是R-DEC公司与时俱进和日本最高金属材料研究机构---日本物質?材料研究機構（英文简称NIMS）共同研究，始用于高强螺栓氢脆研究进而逐渐变成测量不同温度下氢含量分布的标准测氢装置。进一步发展成为集测定总氢含量、扩散氢含量、非扩散氢含量，氢含量——温度曲线图于一身，解决了测氢领域“样品加工带来氢的逃逸、大样品或零件无法直接测试、无法得到不同温度下氢的含量与状态”等长期存在的问题，对生产、研发人员在钢材生产、研发、使用过程中控制氢含量提供更具针对性的检测数据，为高强度、耐氢脆，耐腐蚀钢等产品的研发提供可靠依据。 借助于此装置可以详细研究扩散和非扩散氢的各个过程以及相互转换。其功能类似于电子显微镜的发明为研究位错指明了方向。因为电子显微镜可以真实观察到位错而不是发明前的科学假说推测位错的存在。TDS可以明确地把影响氢脆的扩散氢和影响不大的非扩散氢区别出来也同样是研究氢脆和腐蚀的划时代的发明。 该装置从研发到开始商业推广花费10余年，一经商业推广就受到日本以及各国金属研究所，钢铁公司的青睐。日本钢铁企业，中国北京钢铁研究总院，一重，德国的马普，韩国浦项等都在使用TDS开展各种研究。 　笔者综合研究多种文献后觉得很有必要对该装置在钢铁行业的应用做一总结以期找出今后创制耐氢脆耐腐蚀材料新的研发方针。 概括说来TDS主要有2个大方面的应用。 一． TDS除了可以用于检测钢材中氢的总含量外，主要 用于准确分辨钢材中扩散氢和非扩撒氢的含量和氢的状态。 　　人们一般认为氢脆起源于钢铁夹杂物或晶界或界面。（１-5）由于扩散氢的激活能较低，通常Ea＝27KJ/mol,所以扩散氢扩散聚集导致氢浓度超过其极限数值Hc从而导致脆性断裂。（6-12）而非扩散氢则由于脱离缺陷陷阱的激活能要大得多，通常Ea＝73KJ/mol。不发生扩散，所以对产生氢脆没有贡献。 　　进一步研究表明，通常扩散氢纯存在于位错的弹性应变区。而非扩散氢存在于铁素体/渗碳体界面堆积位错中或存在于微细化渗碳体中。这种非扩散氢在静载荷作用下是不会被激活的，但是在交变应力和能量的反复作用下会从深度能阱被激活为扩散氢从而导致疲劳强度降低最后导致氢脆。 簑島教授利用线材大变形高强钢样品进一步研究 还表明，即使同一材料，当样品状态不同，比如有无缺口，缺口深度大小，FIB等切口形状，应力集中系数大小，线材变形量，组织微细化程度，氢脆敏感度，是否充氢，充氢后是否退火，退火温度和时间等不同，这种非扩散氢被激活或安定化程度都会变化。当然也都会反应到实际情况下非扩散氢和氢脆的关系。