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氫脆是金屬材料因為吸收氫原子后而導致其延展性降低。氫原子很小，可以滲透進固體金屬中。一旦被金屬吸收，氫會降低金屬中裂紋萌生和擴展所需的應力，從而導致脆化。氫脆最顯著地發生在鋼材以及鐵、鎳、鈦、鈷及其合金中。銅、鋁和不銹鋼則不易發生氫脆。

自19世紀以來，關于氫脆本質的基本事實就已為人所知。鋼材中的氫脆在室溫附近達到最大，大多數金屬在150°C以上的溫度下相對不受氫脆的影響。氫脆需要同時存在原子氫和機械應力來誘導裂紋擴大，盡管該應力可能會施加或殘留。氫脆在較低的應變率下增加。一般來說，強度更高的材料更容易發生氫脆。

金屬可以從兩種類型的來源暴露于氫：氣態氫和在金屬表面化學產生的氫。氣態氫是分子氫，不會引起脆化，盡管它會引起高溫氫腐蝕（HTHA）。化學侵蝕的原子氫會導致脆化，因為原子氫在室溫下會迅速溶解到金屬中。氣態氫存在于壓力容器和管道中。氫的電化學來源包括酸（可能在酸洗、蝕刻或清洗過程中遇到）、腐蝕（通常是由于水腐蝕或陰極保護）和電鍍。在焊接過程中或金屬熔化時，由于水分的存在，氫可能會在制造過程中引入金屬中。實踐中最常見的失效原因是電鍍控制不佳或焊條受潮。

氫脆作為一個術語，可以專門用來指在相對較低的氫濃度下發生在鋼和類似金屬中的脆化，或者它可以用來涵蓋氫對金屬的所有脆化作用。這些更廣泛的脆化效應包括氫化物形成，它發生在鈦和釩中，但不發生在鋼中，以及氫引起的起泡，它只發生在高氫濃度下，不需要存在應力。然而，氫脆幾乎總是與高溫氫腐蝕區分開來，它發生在溫度高于400°C的鋼中，并涉及甲烷袋的形成。

氫脆的產生機制

氫脆是一個復雜的過程，涉及許多不同的微機制，并非所有微機制都需要存在。這些機制包括脆性氫化物的形成，可導致高壓氣泡的空隙的產生，增強的內表面脫聚作用以及有助于裂紋擴展的裂紋尖端的局部塑性。已經提出了多種機制并研究了擴散氫溶解到金屬中后脆性的原因。

· 內部壓力：在高氫濃度下，吸收的氫物質在空隙中重新組合形成氫分子(H2)，從金屬內部產生壓力。該壓力可以增加到形成裂紋的水平，通常稱為氫致開裂(HIC)，以及在試樣表面形成氣泡，稱為氫致起泡。這些影響會降低延展性和抗拉強度。

· 氫增強局部塑性(HELP)：氫增加了裂紋尖端位錯的成核和運動。HELP通過裂紋尖端的局部延性破壞導致裂紋擴展，而周圍材料中發生的變形較小，從而使斷裂看起來很脆。

· 氫減少位錯發射：分子動力學模擬揭示了由溶解氫抑制裂紋尖端的位錯發射引起的韌性到脆性轉變。這可以防止裂紋尖端變圓，因此尖銳的裂紋會導致脆性解理破壞。

· 氫增強脫聚（HEDE）：間隙氫降低了金屬原子斷裂所需的應力。HEDE僅在氫的局部濃度高時才會發生，例如由于氫在裂紋尖端、應力集中處或邊緣位錯的張力場中的拉伸應力場中的溶解度增加。

· 金屬氫化物的形成：脆性氫化物與母材的形成使裂紋以脆性方式擴展。這對于釩合金來說尤其是一個問題，但大多數結構合金不容易形成氫化物。

· 相變：氫會在某些材料中引起相變，新相的延展性可能較差。

常見金屬材料的氫脆特性

氫會脆化多種金屬，包括鋼、鋁（僅在高溫下）和鈦。等溫淬火鐵也很容易受到影響，盡管等溫淬火鋼（以及可能的其他等溫淬火金屬）顯示出更高的抗氫脆性。

鋼的氫脆問題

通過陰極充電使鋼因氫而脆化。熱處理（烘烤）用于降低氫含量。由于較高的氫含量，較低的烘烤時間導致較快的斷裂時間。

極限抗拉強度小于1000MPa(~145,000psi)或硬度洛氏硬度等級小于HRC32的鋼通常被認為不易發生氫脆。作為嚴重氫脆的一個例子，當光滑的樣品暴露在高壓氫中時，17-4PH沉淀硬化不銹鋼的斷裂伸長率從17%下降到只有1.7%。

隨著鋼的強度增加，斷裂韌性降低，因此氫脆導致斷裂的可能性增加。在高強度鋼中，任何硬度高于HRC32的材料都可能在引入氫的電鍍工藝后發生早期氫裂紋。由于陰極保護和其他來源的氫氣隨著時間的推移而積累，它們也可能在投入使用后的幾周到幾十年的任何時間出現長期故障。在HRC32-36及以上的硬度范圍內報告了許多故障；因此，在質量控制期間應檢查此范圍內的零件以確保他們不會受到影響。

銅的氫脆問題

如果暴露于熱氫中，含氧的銅合金會變脆。氫通過銅擴散并與銅的夾雜物反應，形成2個金屬Cu原子和H2O（水），然后在晶界處形成加壓氣泡。這個過程會導致晶粒從字面上被迫遠離彼此，并且被稱為蒸汽脆化（因為蒸汽直接在銅晶格內部產生，而不是因為銅暴露于外部蒸汽導致問題）。

釩、鎳和鈦的氫脆問題

釩、鎳和鈦的合金具有很高的氫溶解度，因此可以吸收大量的氫。這會導致氫化物的形成，導致不規則的體積膨脹和延展性降低（因為金屬氫化物是易碎的陶瓷材料）。在尋找用于氫分離膜的非鈀基合金時，這是一個特殊的問題。

如何預防氫脆？

可以通過幾種方法來防止氫脆，所有這些方法都集中在盡量減少金屬和氫之間的接觸，特別是在制造和電解水的過程中。應避免酸洗等脆化程序，也應避免增加與硫和磷酸鹽等元素的接觸。使用適當的電鍍溶液和程序也有助于防止氫脆。

如果金屬還沒有開始開裂，可以通過去除氫源并通過熱處理使金屬中的氫擴散出來來逆轉氫脆。這種被稱為低氫退火或“烘烤”的去脆化過程用于克服電鍍等方法將氫引入金屬的弱點，但由于必須達到足夠的時間和溫度，因此并不總是完全有效。

在焊接的情況下，通常對金屬進行預熱和后加熱，以使氫氣在造成任何損壞之前擴散出去。這特別適用于高強度鋼和低合金鋼，例如鉻/鉬/釩合金。由于氫原子重新結合到氫分子中需要時間，因此在焊接操作完成后的24小時內可能會發生焊接引起的氫裂紋。