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氫脆是金屬材料因?yàn)槲?/span>氫原子后而導(dǎo)致其延展性降低。氫原子很小，可以滲透進(jìn)固體金屬中。一旦被金屬吸收，氫會(huì)降低金屬中裂紋萌生和擴(kuò)展所需的應(yīng)力，從而導(dǎo)致脆化。氫脆最顯著地發(fā)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(fā)生氫脆。

自19世紀(jì)以來，關(guān)于氫脆本質(zhì)的基本事實(shí)就已為人所知。鋼材中的氫脆在室溫附近達(dá)到最大，大多數(shù)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(shí)存在原子氫和機(jī)械應(yīng)力來誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)大，盡管該應(yīng)力可能會(huì)施加或殘留。氫脆在較低的應(yīng)變率下增加。一般來說，強(qiáng)度更高的材料更容易發(fā)生氫脆。

金屬可以從兩種類型的來源暴露于氫：氣態(tài)氫和在金屬表面化學(xué)產(chǎn)生的氫。氣態(tài)氫是分子氫，不會(huì)引起脆化，盡管它會(huì)引起高溫氫腐蝕（HTHA）。化學(xué)侵蝕的原子氫會(huì)導(dǎo)致脆化，因?yàn)樵託湓谑覝叵聲?huì)迅速溶解到金屬中。氣態(tài)氫存在于壓力容器和管道中。氫的電化學(xué)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(hù)）和電鍍。在焊接過程中或金屬熔化時(shí)，由于水分的存在，氫可能會(huì)在制造過程中引入金屬中。實(shí)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(gè)術(shù)語，可以專門用來指在相對較低的氫濃度下發(fā)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(yīng)包括氫化物形成，它發(fā)生在鈦和釩中，但不發(fā)生在鋼中，以及氫引起的起泡，它只發(fā)生在高氫濃度下，不需要存在應(yīng)力。然而，氫脆幾乎總是與高溫氫腐蝕區(qū)分開來，它發(fā)生在溫度高于400°C的鋼中，并涉及甲烷袋的形成。

氫脆的產(chǎn)生機(jī)制

氫脆是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及許多不同的微機(jī)制，并非所有微機(jī)制都需要存在。這些機(jī)制包括脆性氫化物的形成，可導(dǎo)致高壓氣泡的空隙的產(chǎn)生，增強(qiáng)的內(nèi)表面脫聚作用以及有助于裂紋擴(kuò)展的裂紋尖端的局部塑性。已經(jīng)提出了多種機(jī)制并研究了擴(kuò)散氫溶解到金屬中后脆性的原因。

· 內(nèi)部壓力：在高氫濃度下，吸收的氫物質(zhì)在空隙中重新組合形成氫分子(H2)，從金屬內(nèi)部產(chǎn)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(huì)降低延展性和抗拉強(qiáng)度。

· 氫增強(qiáng)局部塑性(HELP)：氫增加了裂紋尖端位錯(cuò)的成核和運(yùn)動(dòng)。HELP通過裂紋尖端的局部延性破壞導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，而周圍材料中發(fā)生的變形較小，從而使斷裂看起來很脆。

· 氫減少位錯(cuò)發(fā)射：分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了由溶解氫抑制裂紋尖端的位錯(cuò)發(fā)射引起的韌性到脆性轉(zhuǎn)變。這可以防止裂紋尖端變圓，因此尖銳的裂紋會(huì)導(dǎo)致脆性解理破壞。

· 氫增強(qiáng)脫聚（HEDE）：間隙氫降低了金屬原子斷裂所需的應(yīng)力。HEDE僅在氫的局部濃度高時(shí)才會(huì)發(fā)生，例如由于氫在裂紋尖端、應(yīng)力集中處或邊緣位錯(cuò)的張力場中的拉伸應(yīng)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(kuò)展。這對于釩合金來說尤其是一個(gè)問題，但大多數(shù)結(jié)構(gòu)合金不容易形成氫化物。

· 相變：氫會(huì)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(huì)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(shí)間導(dǎo)致較快的斷裂時(shí)間。

極限抗拉強(qiáng)度小于1000MPa(~145,000psi)或硬度洛氏硬度等級(jí)小于HRC32的鋼通常被認(rèn)為不易發(fā)生氫脆。作為嚴(yán)重氫脆的一個(gè)例子，當(dāng)光滑的樣品暴露在高壓氫中時(shí)，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(qiáng)度增加，斷裂韌性降低，因此氫脆導(dǎo)致斷裂的可能性增加。在高強(qiáng)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(fā)生早期氫裂紋。由于陰極保護(hù)和其他來源的氫氣隨著時(shí)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(shí)間出現(xiàn)長期故障。在HRC32-36及以上的硬度范圍內(nèi)報(bào)告了許多故障；因此，在質(zhì)量控制期間應(yīng)檢查此范圍內(nèi)的零件以確保他們不會(huì)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(huì)變脆。氫通過銅擴(kuò)散并與銅的夾雜物反應(yīng)，形成2個(gè)金屬Cu原子和H2O（水），然后在晶界處形成加壓氣泡。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致晶粒從字面上被迫遠(yuǎn)離彼此，并且被稱為蒸汽脆化（因?yàn)檎羝苯釉阢~晶格內(nèi)部產(chǎn)生，而不是因?yàn)殂~暴露于外部蒸汽導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致氫化物的形成，導(dǎo)致不規(guī)則的體積膨脹和延展性降低（因?yàn)榻饘贇浠锸且姿榈奶沾刹牧希Ｔ趯ふ矣糜跉浞蛛x膜的非鈀基合金時(shí)，這是一個(gè)特殊的問題。

如何預(yù)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(yīng)避免酸洗等脆化程序，也應(yīng)避免增加與硫和磷酸鹽等元素的接觸。使用適當(dāng)?shù)碾婂內(nèi)芤汉统绦蛞灿兄诜乐箽浯唷?/span>

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(kuò)散出來來逆轉(zhuǎn)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(diǎn)，但由于必須達(dá)到足夠的時(shí)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(jìn)行預(yù)熱和后加熱，以使氫氣在造成任何損壞之前擴(kuò)散出去。這特別適用于高強(qiáng)度鋼和低合金鋼，例如鉻/鉬/釩合金。由于氫原子重新結(jié)合到氫分子中需要時(shí)間，因此在焊接操作完成后的24小時(shí)內(nèi)可能會(huì)發(fā)生焊接引起的氫裂紋。