Водород в железе и других металлах, страница 16

При комнатной температуре и нормальном давлении в железе удерживается лишь незначительное количество водорода. Из образцов сравнительно небольшого сечения, охлаждаемых медленно в печи или на воздухе, растворенный при высоких температурах водород удаляется почти полностью до значений растворимости, соответствующих ничтожной, равновесной растворимости. Во внутренней зоне больших образцов, естественно, остается больше водорода, так как времени при охлаждении недостаточно для завершения диффузии. При охлаждении в жидком воздухе происходит дальнейшее понижение растворимости, однако в этом случае водород из-за очень малой скорости диффузии удаляется только из самой поверхностной зоны.

О влиянии различных легирующих элементов на растворимость водорода имеется еще мало данных. Никель, марганец и кобальт повышают растворимость, а углерод, хром, алюминий и, пожалуй, кремний снижают ее.

2.2  Диффузия

Из всех известных элементов водород диффундирует в железо наиболее быстро. Это и понятно, так как атомный радиус водорода имеет наименьшую величину. Вероятно все же, что диффундирует не атом, а ион водорода, т. е. протон, имеющий очень малое эффективное поперечное сечение. Геллер и Так-Хо-Сун на основании вычислений по результатам измерения способности к проникновению водорода дали следующие уравнения для коэффициента диффузии:

2.3  Способность к проникновению

Для способности к проникновению существенное значение имеют реакции на поверхности материала. Сперва водород адсорбируется на поверхности железа в молекулярном состоянии, затем посредством каталитической реакции диссоциирует и, наконец, абсорбируется железом в атомарном состоянии. Со стороны выхода процесс идет в обратной последовательности (десорбция). Этот механизм объясняет, почему способность к проникновению в очень сильной степени зависит от давления и температуры (рис. 17). При температурах ниже 300°С проникновение через железо подводимого в молекулярном состоянии водорода практически равно нулю. Это, однако, не означает, что водород перестает диффундировать даже в виде протонов, а означает, что при температурах ниже 300°С не идет вторичная реакция, т. е. диссоциация молекул.

Таким образом, способность к проникновению водорода явно определяется не скоростью диффузии, а реакциями на поверхности металла и уровнем растворимости при данной температуре. Связь проникновения с растворимостью подтверждается еще и тем, что величина способности проникновения, как и растворимость, зависит от квадратного корня из величины давления водорода при постоянной температуре (рис. 18).

Количество водорода, проходящего сквозь лист железа при низкой температуре, по меньшей мере, непропорционально толщине листа. Это связано с тем, что водород в железном листе диффундирует быстрее, чем он воспринимается поверхностью, так что градиент концентрации по сечению листа непостоянен. Связь между количеством проникшего сквозь лист железа водорода и толщиной листа — гиперболическая.

При низкой температуре водород проникает через железо только тогда, когда он поступает на поверхность либо в ионизированном состоянии, вследствие химической или электрохимической реакции, либо активированным, например, в газовом разряде.

На поглощение водорода существенное влияние оказывает каталитическое действие агрессивной среды и состояние поверхности. Так, Кербер и Плоум нашли, что очень чистое железо в противоположность техническим сортам стали не поглощает водорода и что для этого необходимо каталитическое содействие таких элементов, которые образуют с водородом гидриды, например мышьяк, кремний, сера, фосфор и т. д. Поверхность с ненарушенной решеткой, получаемая, например, в результате электрополировки, приводит к наиболее сильному поглощению водорода. Напротив, шлифовка и всякая холодная обработка поверхности снижает поглощения, что, вероятно, обусловлено образованием дефектов в решетке.