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- 技術應用 -
05.Dec.2022

質譜儀-Mass 利用TDS分析金屬中不同型態氫氣對氫脆斷裂分析

文章-橫幅
 

TDS分析-氫脆斷裂分析應用

氫作為石化燃料的替代能源，廣泛應用的關鍵在於氫的運輸與儲存技術，與高壓氫氣接觸的金屬材料也會出現“氫脆”的問題。氫脆發生的原因之一是原子序數最低的氫很容易滲透到金屬中並擴散得非常快，因此它在破壞後立即從材料中釋放出來，因此很難捕獲和證明。能夠檢測氫等輕元素的分析儀器有限。如果能夠釐清氫脆的本質，將有可能將其反映在克服氫脆的材料設計，創造出安全、環保性能優異的高強度金屬材料。本文介紹氫存在金屬材料中的晶格缺陷(原子空位、位錯、晶界)、雜質原子、析出物和夾雜物之間的界面、空隙。程序升溫熱脫附質譜(TDS)是一種可以從這些位點與氫之間的結合能的大小來分離氫氣存在狀態的方法。
 
 
以高強度鋼琴鋼絲(珠光體鋼)來進行測試，將鋼材充氫後，拉拔珠光體鋼至斷面，發現其減少85%的強度。圖一顯示了鋼充氫後，將試樣置於30℃的腔體中通過TDS獲得的氫脫附溫度曲線。剛充氫後進行分析為0 h，確認了在R.T.～200℃放出的氫(第一個峰)和在200～450℃放出的氫(第二峰)的兩個峰。也就是說，充氫後，侵入金屬的氫不是以單一的形態存在，而是被困在兩種不同的狀態。氫的第一個峰，從試樣中釋放出來後至高峰開始降低，一般稱為擴散氫。第二個峰氫氣釋放比第1峰氫氣慢得多，氫含量降低到一定水平後，它變得恆定，稱為非擴散氫。計算氫捕集器的活化能時，根據氫的量而變化，但吸收氫後的第一峰為20～46kJ/mol，第二峰為64～93kJ/mol。
氫氣釋放量
▲圖一 氫氣在鋼材中，不同時間及溫度下的釋放量
 
我們展示了進入鋼琴線的氫以兩種狀態存在。圖二為共析鋼等溫轉變溫度(a)350℃及(b)550℃進行慢應變率拉伸試驗 (SSRT)的結果，並以不同的充氫時間(0、1、3、6、18、24小時)，來觀察應力曲線變化，圖二(a)為第一個峰值處吸收的氫，隨著充氫時間的增加，第一個峰處氫量也增加，最大應力和伸長率均降低，並且觀察到顯著的氫脆化現象。圖二(b)為第二個峰值處吸收的氫，即使增加充氫時間，即增加第二峰氫，應力曲線也幾乎沒有變化，未觀察到由氫引起的脆化。
 
氫氣對高強度鋼應力曲線變化 氫斷口外觀影響
▲圖二 (a)第一峰氫氣和(b)第二峰氫氣
對高強度鋼應力曲線變化的影響		 ▲圖三 (a)第一峰氫和(b)第二峰氫
對SSRT試驗後斷口外觀影響

圖三顯示氫對斷裂形態的影響。圖三(a)表示共析鋼在350℃的SSRT後的斷面觀察結果，僅第1峰氫0.8 mass ppm。即使是0.8 mass ppm的微量氫，也沒有發生塑性變形，觀察到玻璃棒斷裂等典型的脆性破壞。圖三(b)表示吸收2.9 mass ppm的第2峰氫的550℃共析鋼的SSRT後的斷面觀察結果，觀察到伸長和收縮，表明典型的延性斷裂。該高強度鋼吸附2.9 mass ppm的大量第二峰氫，但與充氫前的拉伸試驗斷面比較，幾乎是相同的形態。

總結以上分析結果，程序升溫熱脫附質譜(TDS)是一種可以從這些位點與氫之間的結合能的大小來分離氫氣存在狀態的方法。只有第一峰氫與氫脆直接相關的原因包含：
 
  • 第一峰氫即使在室溫下也會擴散，並且是應力載荷引起的應力擴散，或者在塑性變形過程中通過位錯缺陷傳輸氫氣。
  • 當在包含第一峰氫的狀態下施加應變時，會促進導致脆化的晶格缺陷的形成。
  • 第一峰氫所在位點認為與脆化直接相關。

由上可知，即使氫滲入材料，並非所有的氫都會對機械性能產生不利影響，根據氫的存在狀態，可以確認不參與脆化的氫氣。
 
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