铁素体钢中TiN颗粒的氢解吸活化能及吸附位点

《Journal of Materials Research and Technology》：Hydrogen desorption activation energy and trapping sites associated with TiN particles in ferritic steel

氢陷阱与脱附激活能研究显示，TiN颗粒的脱附激活能（～75.2 kJ/mol）低于TiC颗粒（～83.4 kJ/mol），两者氢捕获主要位于界面。TiN颗粒因微裂纹易引发氢致脆裂，而TiC颗粒因细小球形形态有效抑制氢脆。

　　在现代材料科学领域，氢脆（Hydrogen Embrittlement, HE）是一个严重影响高强度钢性能的重要问题。由于氢原子容易在金属材料中扩散并聚集于某些缺陷或界面区域，从而导致材料的脆性增加，甚至引发断裂，因此，研究如何有效抑制氢脆成为提升材料服役性能的关键课题。TiC和TiN作为常见的金属间化合物，因其优异的物理和机械性能，常被用作高强度钢中的第二相粒子。这些粒子不仅能够通过其结构特性增强钢的强度，还具有显著的氢捕获能力，从而对氢脆起到一定的抑制作用。然而，不同形态的TiC和TiN对氢脆的抵抗能力存在差异，这与它们的晶体结构、界面特性以及与基体的相容性密切相关。因此，本文通过热脱附分析（Thermal Desorption Analysis, TDA）和银装饰技术（Silver Decoration Technique, SDT）对TiN和TiC在铁素体钢中的氢脱附行为和氢捕获机制进行了系统研究，并与已有文献中的TiC结果进行了对比分析。

研究首先指出，TiC和TiN均在铁素体钢中作为氢捕获的活跃区域，但它们的氢捕获能力存在显著差异。TiC通常被认为是高效的氢捕获材料，因其高硬度、良好的热稳定性以及较强的界面相互作用能力。而TiN虽然同样具有氢捕获功能，但其晶体结构和界面特性导致其氢捕获能力稍逊于TiC。通过TDA分析，研究人员发现，无论是TiC还是TiN，其氢脱附曲线中均出现了两个显著的峰值，分别对应于可逆氢陷阱（如晶界、位错等）和不可逆氢陷阱（即粒子与基体的界面）。其中，第二个峰值（Peak II）的温度显著高于第一个峰值（Peak I），并且在500 °C以上出现，这表明该峰值与粒子内部的氢捕获行为密切相关。进一步分析表明，TiC的Peak II脱附温度约为600 °C，对应的激活能（Ea）为83.4 kJ/mol，而TiN的Peak II脱附温度约为650 °C，其Ea值为75.2 kJ/mol，略低于TiC。这一结果表明，TiN在氢脱附过程中所需的能量较低，可能意味着其氢捕获能力较弱，或者氢从其界面脱附的速率更快。

为了更深入地了解氢在TiC和TiN中的捕获机制，研究采用了银装饰技术。该技术通过在氢饱和样品表面沉积银颗粒，从而可视化氢在材料中的分布情况。结果显示，无论是TiC还是TiN，氢主要被捕获在粒子与基体的界面区域。然而，TiN由于其较大的尺寸和立方形的形态，导致在界面处存在更高的应力集中，这使得氢更容易在这些区域聚集并引发裂纹的形成。相比之下，TiC的细小尺寸和球形结构减少了应力集中，使其在氢捕获的同时，不易成为裂纹的起始点，从而增强了其对氢脆的抵抗能力。因此，尽管TiN在某些方面表现出与TiC相似的氢捕获能力，但由于其形态和界面特性，TiN更容易因氢聚集而产生微裂纹，进而降低材料的抗氢脆性能。

研究还指出，TiC和TiN的氢捕获行为受到其晶体结构和界面相容性的影响。例如，TiC与铁素体基体之间存在一定的晶格失配，这种失配可能导致界面处的局部应力，从而影响氢的捕获和脱附行为。而TiN的晶格失配程度则相对较低，这可能与其晶体结构的特殊性有关。此外，TiN的形成过程中可能伴随着碳的缺失或氮的富集，这些因素也会影响其氢捕获能力。研究通过高分辨透射电镜（TEM）和快速傅里叶变换（FFT）分析，确认了TiN与铁素体基体之间的界面特性。结果表明，TiN与基体之间存在半相干界面，这种界面在一定程度上允许氢的扩散和捕获，但同时也增加了裂纹萌生的风险。

进一步的实验结果显示，TiN样品中存在多种形态的粒子，包括纯TiN、氧化核心包裹TiN壳层、碳化钛壳层包裹TiN核心以及TiN团簇。这些不同的形态对氢的捕获和脱附行为产生了不同的影响。例如，具有氧化核心的TiN粒子在界面处表现出更强的氢捕获能力，而TiN团簇则由于其较大的尺寸和不规则的形状，导致界面处的应力集中更为显著。这种差异使得TiN在不同形态下的氢脱附行为表现出一定的多样性，从而影响其整体的抗氢脆性能。

此外，研究还探讨了不同加热速率对氢脱附行为的影响。TDA实验表明，加热速率的增加会导致氢脱附峰温度的变化，这可能是由于氢脱附过程的动力学行为受到加热速率的调控。例如，在加热速率为100 °C/h时，TiC和TiN的Peak II脱附温度分别为600 °C和650 °C，而在更高的加热速率下，这些温度可能会有所变化。通过Kissinger图分析，研究人员进一步确认了氢脱附过程的激活能，并发现TiN的Ea值略低于TiC，这可能与其界面特性以及氢在其中的扩散路径有关。

综上所述，本文的研究结果表明，TiC和TiN在铁素体钢中均表现出显著的氢捕获能力，但它们的氢捕获行为和对氢脆的抵抗能力存在明显差异。TiC由于其细小尺寸和球形结构，能够有效捕获氢并减少应力集中，从而增强材料的抗氢脆性能。而TiN虽然同样具有氢捕获能力，但由于其较大的尺寸和立方形结构，导致氢在界面处更容易聚集，进而引发微裂纹的形成。因此，选择合适的第二相粒子对于提高高强度钢的抗氢脆性能至关重要。未来的研究可以进一步探讨不同粒子形态对氢捕获行为的具体影响，以及如何通过微结构调控来优化材料的抗氢脆性能。