氢脆

时间:2016-11-17 15:38 作者:admin 分享到:

氢脆(hydrogen embrittlement)

材料在产生氢的环境中,由于氢原子进入材料中而引发的局部性金属腐蚀。

形式 

氢脆常以氢诱发裂纹、氢致延性丧失、氢致应力破裂等形式出现。

(1)氢诱发裂纹。

可为直线型或台阶型,其产生与外加应力存在与否和外加应力取向均无关。它常沿平行金属轧制方向扩展,许多情况是沿长条形MnS夹杂产生与扩展。氢诱发裂纹是不可逆的。氢原子进入微观缺陷或基体和夹杂的内界面形成分子氢,当氢压足够大时即形成微小裂纹,随氢的不断进入,裂纹不断扩大。氢诱发裂纹受金属成分、夹杂、强度、组织结构、氢浓度、温度、轧制等诸多因素的影响。

(2)氢致延性丧失。

由于氢进入金属,造成由断面收缩率和伸长率所表述的延性明显降低。它在大多数工业常用金属中如合金钢、镍基合金、钛合金、铝合金中经常出现。氢致延性丧失情况随金属中的氢量、温度、组织、结构和应变速度而变化。这类延性丧失常常为可逆性,当金属被加热将氢驱出后,延性即可恢复。

(3)氢致应力破裂。

指在张应力存在时,氢使金属出现低应力破裂的现象。氢原子通过应力梯度诱导,向局部区域(如坑点根部,裂纹前端)扩散和聚集,当其在局部区域浓度达到临界点时,裂纹形核。形核区应力强度因子超过界限值K1H时,裂纹即行亚临界缓慢扩展。如不卸载或者不中断氢的供应,则裂纹继续扩展将发生失稳快速机械断裂。影响氢致应力破裂的因素有金属强度、成分、组织结构和环境因素等。

机理 

目前有4种主要理论:(1)氢压理论。认为,金属中的过饱和氢在各种不均匀处结合成分子氢,分子氢浓度达到很高值,从而产生巨大内压,由此产生局部应力梯度,应力梯度又促使周围氢原子进一步向空洞扩散,氢压就愈来愈大,当氢压超过金属局部断裂强度时,则裂纹形核并扩展。(2)降低结合键理论。认为应力诱导氢扩散,使原子氢富集于最大三轴应力区,从而使原子间结合力下降,造成材料低应力脆断。(3)吸附降低表面能理论。认为氢吸附在裂纹内表面而降低表面能,使得裂纹失稳扩展所需临界应力降低,从而导致开裂。(4)位错运动理论。认为氢能在位错周围形成柯丘尔(Cottrel)气团,此气团将位错钉扎住,使其运动受阻,塑性变形困难直至延性丧失即发生低应力脆断。另有人认为,位错周围氢气团能通过扩散而随位错一起运动,当带氢位错运动到晶界或障碍物时就会塞积,使氢在障碍物处富集,当浓度达到足够高时,就会出现裂纹。

预防措施避免或减少氢脆的途径有:消除产生氢的因素,如除去水分等;隔断金属与含氢环境接触,如表面处理和涂层;排除金属中的氢,如烘烤;提高金属纯度,减少夹杂含量,改变金属成分与组织;采用合理的制作工艺,如采用无氢或低氢电镀与焊接;采用合理的设计,减少应力集中等。

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