氢脆类型及其特征

1、氢蚀

是由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。如碳钢在300～500℃的高压氢气氛中工作时，由于氢与钢中的碳化物作用生成高压的CH4气泡，当气泡在晶界上达到一定密度后，金属的塑性将大幅降低。这种氢脆现象的断裂源产生在与高温、高压氢气相接触的部位。碳钢在低于220℃时，不产生氢脆。

氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。微观断口上晶界明显加宽，呈沿晶断裂。

2、白点（发裂、发纹）

当钢中含有过量的氢时，随着温度的降低，氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。这种微裂纹的端面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，故称白点。一般出现在大锻件中。采用精炼除气、锻后缓冷或等稳退火以及在钢中加入稀土或其它微量元素等方法，使白点减弱或消除。

3.氢化物致脆

对于Ⅳ族或Ⅴ族金属（如纯钛、α－钛合金。钒、锆、铌及其合金）。由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成氢化物，使金属脆化。

4、氢致延滞断裂

① 定义：高强度钢或α＋β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在的或从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的氢致延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。目前工程上所说的氢脆大多数是指这类氢脆。

② 特点：a 只在一定温度范围内出现，如高强度钢多出现在－100～150℃之间，而以室温下最敏感。B 提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低。因此只有缓慢加载试验时才能显示出这类脆性。C 显著降低材料的断后伸长率，但氢含量降低致一定数值后，断后伸长率不再变化，而断面收缩率则随氢含量增加而降低，且材料强度越高，下降越剧烈。D 高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性。即钢材经过低应力慢速应变后，因氢脆导致塑性降低，如果卸除载荷，停留一段时间再进行高速加载，则钢的塑性可以得到恢复，氢脆现象消除。

③ 断口：宏观断口与一般脆性断口相似。其微观形貌大多为沿原奥氏体晶界的沿晶断裂，且晶界上常有许多撕裂棱。

原因：除力学因素外，可能更主要的是与杂质偏聚的晶界吸附了较多的氢，使晶界强度削弱有关。

氢脆通常表现为钢材的塑性显著下降，脆性急剧增加，并在静载荷下（往往低于材料的σb）经过一段时间后发生破裂破坏的趋势。众所周知，氢在钢中有一定的溶解度。炼钢过程中，钢液凝固后，微量的氢还会留在钢中。通常生产的钢，其含氢量在一个很小的范围内。氢在钢中的溶解度随温度下降而迅速降低，过饱和的氢将要析出。

氢是在钢铁中扩散速度最快的元素，其原子半径最小，在低温区仍有很强的扩散能力。如果冷却时有足够的时间使钢中的氢逸出表面或钢中的氢含量较低时，则氢脆就不易发生。如果冷却速度快，钢件断面尺寸比较大或钢中氢含量较高时，位于钢件中心部分的氢来不及逸出，过剩的氢将进入钢的一些缺陷中去，如枝晶间隙、气孔内。若缺陷附近由于氢的聚集会产生强大的内压而导致微裂纹的萌生与扩展。这是由于缺陷吸附了氢原子之后，使表面能大大降低，从而导致钢材破坏所需的临界应力也急剧降低。

一般来说，钢的氢脆发生在-50℃~100℃之间。温度过低时，氢的扩散速度太慢，聚集少不会析出；高温时氢将被“烤”出钢外，氢脆破坏也不大会发生。随着科学的发展，人们又发现氢脆机理的新观点：氢促进了裂纹尖端区塑性变形，而塑性变形，又促进了氢在该区域内浓集，从而降低了该区的断裂应力值，这就促进了微裂的产生，裂纹的扩展也伴随着塑性流变。

在热处理产业链上，多道工序需要酸洗，如淬火后回火前的酸洗、回火后喷砂前酸洗、蒸汽处理或氧氮化前酸洗、TiN等表面强化前的酸洗以及电镀前的酸洗等。酸洗在不同阶段其目的是不一样的，有的是为了去除氧化皮，有的是为了提高工件表面活性，有的是为了缩小尺寸等。传统的酸洗工艺繁琐、流程长、成本高、能耗大、污染严重、劳动条件差等，更为可怕的是对钢材内在质量产生很大的危害——氢脆。为此，改进酸洗工艺，采取防渗氢措施，已成为几代人关注的问题。

要明确氢脆的定义，中高温（200-300℃）临氢工况中Fe3C和H2反应生成CH4，形成鼓包、裂纹的情况称之为氢腐蚀更合理，是属于高温氢损伤（HTHA），而真正意义上的氢脆是不含化学反应的，由原子氢渗入而引起的高强度钢的延展性损失可导致脆性开裂。氢脆(HE)可发生于制造和焊接过程或因水相、腐蚀性环境或气体环境中可将氢充入钢内的使用环境而发生。而其中的氢来源于：

1、焊接，若使用了湿焊条或高含水量熔剂焊条，则氢可被充入钢内(延迟开裂)。

2、在酸溶液中进行酸洗或酸浸。

3、高温氢气气氛中使用，分子氢解离形成可渗入钢内的原子氢。

4、原子氢会扩散进入钢内的湿硫化氢使用环境或氟氢酸使用环境。

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