材料的氫脆

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氫脆(hydrogen embrittlement)

材料在產(chǎn)生氫的環(huán)境中，由于氫原子進入材料中而引發(fā)的局部性金屬腐蝕。

形式

氫脆常以氫誘發(fā)裂紋、氫致延性喪失、氫致應(yīng)力破裂等形式出現(xiàn)。

(1)氫誘發(fā)裂紋。

可為直線型或臺階型，其產(chǎn)生與外加應(yīng)力存在與否和外加應(yīng)力取向均無關(guān)。它常沿平行金屬軋制方向擴展，許多情況是沿長條形MnS夾雜產(chǎn)生與擴展。氫誘發(fā)裂紋是不可逆的。氫原子進入微觀缺陷或基體和夾雜的內(nèi)界面形成分子氫，當(dāng)氫壓足夠大時即形成微小裂紋，隨氫的不斷進入，裂紋不斷擴大。氫誘發(fā)裂紋受金屬成分、夾雜、強度、組織結(jié)構(gòu)、氫濃度、溫度、軋制等諸多因素的影響。

(2)氫致延性喪失。

由于氫進入金屬，造成由斷面收縮率和伸長率所表述的延性明顯降低。它在大多數(shù)工業(yè)常用金屬中如合金鋼、鎳基合金、鈦合金、鋁合金中經(jīng)常出現(xiàn)。氫致延性喪失情況隨金屬中的氫量、溫度、組織、結(jié)構(gòu)和應(yīng)變速度而變化。這類延性喪失常常為可逆性，當(dāng)金屬被加熱將氫驅(qū)出后，延性即可恢復(fù)。

(3)氫致應(yīng)力破裂。

指在張應(yīng)力存在時，氫使金屬出現(xiàn)低應(yīng)力破裂的現(xiàn)象。氫原子通過應(yīng)力梯度誘導(dǎo)，向局部區(qū)域(如坑點根部，裂紋前端)擴散和聚集，當(dāng)其在局部區(qū)域濃度達到臨界點時，裂紋形核。形核區(qū)應(yīng)力強度因子超過界限值K1H時，裂紋即行亞臨界緩慢擴展。如不卸載或者不中斷氫的供應(yīng)，則裂紋繼續(xù)擴展將發(fā)生失穩(wěn)快速機械斷裂。影響氫致應(yīng)力破裂的因素有金屬強度、成分、組織結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素等。

機理

目前有4種主要理論：(1)氫壓理論。認(rèn)為，金屬中的過飽和氫在各種不均勻處結(jié)合成分子氫，分子氫濃度達到很高值，從而產(chǎn)生巨大內(nèi)壓，由此產(chǎn)生局部應(yīng)力梯度，應(yīng)力梯度又促使周圍氫原子進一步向空洞擴散，氫壓就愈來愈大，當(dāng)氫壓超過金屬局部斷裂強度時，則裂紋形核并擴展。(2)降低結(jié)合鍵理論。認(rèn)為應(yīng)力誘導(dǎo)氫擴散，使原子氫富集于最大三軸應(yīng)力區(qū)，從而使原子間結(jié)合力下降，造成材料低應(yīng)力脆斷。(3)吸附降低表面能理論。認(rèn)為氫吸附在裂紋內(nèi)表面而降低表面能，使得裂紋失穩(wěn)擴展所需臨界應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致開裂。(4)位錯運動理論。認(rèn)為氫能在位錯周圍形成柯丘爾(Cottrel)氣團，此氣團將位錯釘扎住，使其運動受阻，塑性變形困難直至延性喪失即發(fā)生低應(yīng)力脆斷。另有人認(rèn)為，位錯周圍氫氣團能通過擴散而隨位錯一起運動，當(dāng)帶氫位錯運動到晶界或障礙物時就會塞積，使氫在障礙物處富集，當(dāng)濃度達到足夠高時，就會出現(xiàn)裂紋。

預(yù)防措施避免或減少氫脆的途徑有：消除產(chǎn)生氫的因素，如除去水分等；隔斷金屬與含氫環(huán)境接觸，如表面處理和涂層；排除金屬中的氫，如烘烤；提高金屬純度，減少夾雜含量，改變金屬成分與組織；采用合理的制作工藝，如采用無氫或低氫電鍍與焊接；采用合理的設(shè)計，減少應(yīng)力集中等。