氢脆及其处理

金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂，统称为氢脆断裂或氢致开裂。
一 氢脆的类型及特征
（一）内部氢脆与环境氢脆
氢脆断裂在工程上是一种比较普遍的现象，但由于材料性能、加工工艺、服役环境、受力状态不同，各种现象有较大差异。
根据引起氢脆的氢之来源不同，氢脆可分成两大类：一类为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；第二类氢脆称为环境氢脆，它是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。
内部氢脆和环境氢脆的区别，在于氢的来源不同，而它们的脆化本质是否相同，目前尚未定论。
一般认为，内部氢脆和环境氢脆在微观范围（原子尺度范围内），其本质是相同的，都是由于氢引起的材料脆化，但就宏观范围而言，则有差别。因为它们所包含的某些过程（如氢的吸收）、氢和金属的相互作用、应力状态以及温度，微观结构的影响等均不相同。
（二）氢脆断口特征
内部氢脆断口往往出现“白点”，如图6-7所示。白点又有两种类型：一种是在钢件中观察到纵向发裂，在其断口上则呈现白点。这类白点多呈圆形或椭圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，所以又叫做“雪斑”或发裂白点，如图6-7a所示。这种白点实际上就是一种内部微细裂纹，它是由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除这类白点。
另一种白点呈鱼眼型，它往往是某些以材料内部的宏观缺陷如气孔、夹渣等为核心的银白色斑点，其形状多数为圆形或椭圆形。圆白点的大小往往同核心的大小有关，即核心愈大，白点也愈大，白点区齐平而略为下凹，图6-7b即为以焊接缺陷（气孔）作为核心的鱼眼型白点。
产生鱼眼白点，除氢和缺陷因素外，还必须有一定的条件，即应有一定的塑性变形量和一定的形变速度。如果经过去氢处理或消除鱼眼核心��缺陷，白点就不能形成；小于一定的塑性变形量，或用高的应变速率（如冲击），都不会产生这类白点，所以它是可以消除的，故又叫可逆氢脆。这类氢脆一般不损害材料的强度，只降低塑性。
内部氢脆断口的微观形态，往往是穿晶解理型或准解理型花样。在白点区是穿晶解理断裂，而白点外则为微孔聚集型断裂。
二 氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在：
(1)实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速,则为应力腐蚀,而当施加一小阴极电流,使开裂加速者则为氢脆。
(2)在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小，这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。
(3)断裂的主裂纹没有分枝的情况，这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。氢脆的断裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者从一种裂纹扩展型式转变成另一种型式，但就具体的金属-环境组合来说，氢脆有特定的裂纹形态。例如，在淬火回火钢中氢脆常沿着原奥氏体晶界扩展；而在钛合金中容易形成氢化物，裂纹是沿着氢化物与基体金属的界面上发展。
(4)氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。
(5)大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。形变速度愈大，氢脆的敏感性愈小，当形变速率大于某一临界值后，则氢脆完全消失。氢脆对材料的屈服强度影响较小，但对断面收缩率则影响较大。
三 氢脆机理及其防止办法
氢脆是氢原子和位错交互作用的结果。氢脆的位错理论能成功地解释以下几个重要实验结果：
(1)氢脆对温度和形变速率的依赖关系。
氢脆只发生在一定的温度范围和慢的形变速率情况下。当温度太低时，氢原子的扩散速率太慢，能与位错结合形成气团的机会甚少；反之，当温度太高时，氢原子扩散速率太快，热激活作用很强，氢原子很难固定在位错下方，位错能自由运动，因此，也不易产生氢脆。对钢来说，对氢脆最敏感的温度就在室温附近。同样，可以理解形变速率的影响。当形变速率太高时，位错运动太快，氢原子的扩散跟不上位错的运动，因而显示不出脆性。
(2)氢脆的裂纹扩展特性。
高强度钢产生的氢脆，其裂纹扩展是跳跃式前进的。先是在裂纹尖端不远的地方出现一个细小的裂纹，之后这个裂纹在某个时刻突然和原有裂纹连接起来。新裂纹形核地点一般是在裂纹前沿的塑性区与弹性区的交界上。氢要扩散到这里并达到一临界浓度时才能形成裂纹，所需的时间就是裂纹的孕育期。
(3)氢脆氢纹扩展第二阶段的特性。
在dt/da～K的关系中，氢脆裂纹扩展出现一水平台，是谓裂纹扩展第二阶段，这一阶段裂纹扩展速率恒定，与应力强度因子无关，而与温度有关，说明dt/da在这一阶段主要决定于化学因素，是一典型的热激活过程。氢原子扩散到裂纹尖端并保持某一浓度是裂纹扩展的决定性因素。金属材料在氢中裂纹扩展速率主要决定于氢原子在基体中的扩散速率。
减少氢脆的办法大致有以下几个方面：
对于主要是内部氢脆产生的，要多从严格执行工艺规定着手。对于环境氢脆，首要的一条是尽量不用高强度材料，村料强度越高，对氢脆越敏感。