氢脆的概念及预防措施

1氢脆的概念
氢脆是金属材料因为吸收氢原子后而导致其延展性降低。氢原子很小，可以渗透进固体金属中。一旦被金属吸收，氢会降低金属中裂纹萌生和扩展所需的应力，从而导致脆化。氢脆最显著的发生在钢材以及铁、镍、钛、钴及其合金中。铜、铝和不锈钢则不易发生氢脆。自19世纪以来，关于氢脆本质的基本事实就已为人所知。钢材中的氢脆在室温附近达到最大，大多数金属在150℃以上的温度下相对不受氢脆的影响。氢脆需要通水存在原子氢和机械应力来诱导裂纹扩大，尽管该应力可能会施加或残留。氢脆在较低的应变率下增加。一般来说，强度更高的材料更容易发生氢脆。金属可以从两种类型的来源暴露于氢：气态氢和在金属表面化学产生的氢。气态氢是分子氢，不会引起脆化，尽管它会引起高温氢腐蚀（HTHA）。化学侵蚀的原子氢会导致脆化，因为原子氢在室温下会迅速溶解到金属中。气态氢存在于压力容器和管道中。氢的电化学来源包括酸（可能在酸洗、蚀刻或清洗过程中遇到）、腐蚀（通常是由于水腐蚀或阴极保护）和电镀。在焊接过程中或金属熔化时，由于水分的存在，氢可能会在制造过程中引入金属中。实践中最常见的失效原因是电镀控制不佳或焊条受潮。氢脆作为一个术语，可以专门用来指在相对较低的氢浓度下发生在钢和类似金属中的脆化，或者它可以用来涵盖氢对金属的所有脆化作用。这些更广泛的脆化效应包括氢化物形成，它发生在钛和钒中，但不发生在钢中，以及氢引起的气泡，它只发生在高氢浓度下，不需要存在应力。然而，氢脆几乎总是与高温氢腐蚀区分开来，它发生在温度高于400℃的钢中，并涉及甲烷袋的形成。2氢脆的产生机制
氢脆是一个复杂的过程，涉及许多不同的微机制，并非所有微机制都需要存在。这些机制包括脆性氢化物的形成，可导致高压气泡的孔隙的产生，增强的内表面脱聚作用以及有助于裂纹扩展的裂纹尖端的局部塑性。已经提出了多种机制并研究了扩散氢溶解到金属中后脆性的原因。1）内部压力：在高氢浓度下，吸收的氢物质在空隙中重新组合形成氢分子（H2），从金属内部产生压力。该压力可以增加到形成裂纹的水平，通常称为氢开裂（HIC），以及再试样表面形成气泡，称为氢致起泡。这些影响会降低延展性和抗拉强度。2）氢增强局部塑性（HELP）：氢增加了裂纹尖端位错的成核和运动。HELP通过裂纹尖端的局部延性破坏导致裂纹扩展，而周围材料中发生的变形极小，从而使断裂看起来很脆。3）氢减少位错发射：分子动力学模拟揭示了由融解氢抑制裂纹尖端的位错发射引起的韧性到脆性转变。这可以防止裂纹尖端变圆，因此尖锐的裂纹会导致脆性解理破坏。4）氢增加脱聚（HEDE）：间隙氢降低了金属原子断裂所需的应力。HEDE仅在氢的局部浓度高时才会发生，例如由于氢在裂纹尖端、应力集中处或边缘位错的张力场中的拉伸应力场中的溶解度增加。5）金属氢化物的形成：脆性氢化物与母材的形成使裂纹以脆性方式扩展。这对于钒合金来说尤其是一个问题，但大多数结构合金不容易形成氢化物。6）相变：氢会在某种材料中引起相变，新相的延展性可能较差。3常见金属材料的氢脆特性
氢会脆化多种金属，包括钢、铝（仅在高温下）和钛。等温淬火铁也很容易受到影响，尽管等温淬火钢（以及可能的其他等温淬火金属）显示出更高的抗氢脆性。1）钢的氢脆问题通过阴极充电使钢因氢而脆化。热处理（烘烤）用于降低氢含量。由于较高的氢含量，较低的烘烤时间导致较快的断裂时间。极限抗拉强度小于1000MPa(~145000psi)或者硬度洛氏硬度等级小于HRC32的钢通常被认为不易发生氢脆。作为严重氢脆的一个例子，当光滑的样品暴露在高压氢中时，17-4PH沉淀硬化不锈钢的断裂伸长率从17%下降到只有1.7%。随着钢的强度增加，断裂韧性降低，因此氢脆导致断裂的可能性增加。在高强度钢中，任何硬度高于HRC32的材料都可能在引入氢的电镀工艺后发生早期氢裂纹。由于阴极保护和其他来源的氢气随着时间的推移而积累，它们也可能在投入使用后的几周到几十年的任何时间出现长期故障。在HRC32-36及以上的硬度范围内报告了许多故障；因此，在质量控制期间应检查此范围内的零件以确保它们不会受到影响。2）铜的氢脆问题如果暴露于热氢中，含氧的铜合金会变脆。氢通过铜扩散并与铜的夹杂物反应，形成2个金属Cu原子和H2O（水），然后在晶界处形成加压气泡。这个过程会导致晶粒从字面上被迫远离彼此，并且被称为蒸汽脆化（因为蒸汽直接在铜晶格内部产生，而不是因为铜暴露于外部蒸汽导致问题）。3）钒、镍和钛的氢脆问题钒、镍和钛的合金具有很高的氢溶解度，因此可以吸收大量的氢。这会导致氢化物的形成，导致不规则的体积膨胀和延展性降低（因为金属氢化物是易碎的陶瓷材料）。在寻找用于氢分离膜的非钯基合金时，这是一个特殊的问题。4预氢脆的方法
可以通过集中方法来防止氢脆，所有这些方法都集中在尽量减少金属和氢之间的接触，特别是在制造和电解水的过程中。应避免酸性等脆化程序，也应避免增加与硫和磷酸盐等元素的接触。使用适当的电镀溶液和程序也有助于防止氢脆。如果金属还没有开始开裂，可以通过去除氢源并通过热处理使金属中的氢扩散出来来逆转氢脆。这种被称为低氢退火或烘烤的去脆化过程用于克服电镀等方法将氢引入金属的弱点，但由于必须达到足够的时间和温度，因此并不总是完全有效。在焊接的情况下，通常对金属进行预热和后加热，以使氢气在造成任何损坏之前扩散出去。这特别适用于高强度钢和低合金钢，例如铬/钼/钒合金。由于氢原子重新结合到氢分子中需要时间，因此在焊接操作完成后的24小时内可能发生焊接引起的氢裂纹。防止这个问题的另一种方法是通过材料选择。这将对该过程产生固有的抵抗力，并减少后处理或持续监控故障的需要。某些金属或合金极易受到此问题的影响，因此选择受影响最小的材料同时保持所需性能也将提供最佳解决方案。