第六章-應(yīng)力作用下的腐蝕

應(yīng)力作用下的腐蝕中國石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系孫建波2011年5月回顧：局部腐蝕的大陰極小陽極現(xiàn)象電偶腐蝕的引申局部腐蝕大陰極小陽極現(xiàn)象普遍性。力場作用下的應(yīng)力集中對腐蝕的促進(jìn)。AcIAcBaBciBaiBcIg回顧：局部腐蝕的閉塞電池效應(yīng)所謂“閉塞電池”乃是由于在腐蝕體系內(nèi)金屬鈍化膜破裂后形成的蝕坑、隙縫及裂紋等的幾何形狀或腐蝕產(chǎn)物在其坑口的覆蓋而使腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散受到抑制所形成的腐蝕電池。誘發(fā)活性陰離子吸附酸化過程加速陽極自催化快速溶解促進(jìn)應(yīng)力存在下的耦合腐蝕誘發(fā)陰極析氫形成氫損傷應(yīng)力作用下的腐蝕內(nèi)憂外患：腐蝕介質(zhì)+應(yīng)力應(yīng)力來源：外部施加：工作應(yīng)力（工況載荷）殘余應(yīng)力（制造加工過程內(nèi)部應(yīng)力）熱應(yīng)力（溫差引起的應(yīng)力）腐蝕產(chǎn)物體積效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力（安裝及裝配過程引起的應(yīng)力）相對運(yùn)動、高速流體的流動等施加在金屬表面上

來自金屬內(nèi)部：如氫原子侵入金屬內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力分類：應(yīng)力腐蝕開裂氫致開裂腐蝕疲勞與磨損有關(guān)：沖刷腐蝕、空泡腐蝕、腐蝕磨損、微動腐蝕材料的斷裂是由環(huán)境因素引起的，也統(tǒng)稱環(huán)境斷裂6.1.1應(yīng)力腐蝕開裂（StressCorrosionCracking—SCC）通常在某種特定的腐蝕介質(zhì)中，材料在不受應(yīng)力時(shí)腐蝕甚微而受到一定的拉伸應(yīng)力時(shí)（可遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度），經(jīng)過一段時(shí)間后，即使是延展性很好的金屬也會發(fā)生脆性斷裂斷裂事先沒有明顯的征兆，往往造成災(zāi)難性的后果應(yīng)力腐蝕開裂——受一定拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在某些特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的協(xié)同作用而發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象6.1應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂形貌1982年9月17日，一架日航DC-8客機(jī)在虹橋機(jī)場著陸時(shí)突然沖出跑道——剎車系統(tǒng)高壓氣瓶晶間SCC爆炸1967年12月15日，美國銀橋突然坍塌，車輛行人墜入河中，死46人——鋼梁因應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞聯(lián)合作用產(chǎn)生裂縫而斷裂

1965年3月，美國路易斯安那州輸氣管線；1977年4月，沙特阿卜凱克油田油管線，大火，死多人——管道外側(cè)產(chǎn)生SCC1968年威遠(yuǎn)至成都的輸氣管線泄漏爆炸，死亡20余人。四川某氣田因一閥門SCC漏氣，火災(zāi)持續(xù)22天，損失近6億元案例：應(yīng)力腐蝕開裂很普遍，化工行業(yè)約占四分之一。SCC占總腐蝕百分比(美)杜邦3年23%(日)三菱10年45.6%(日)不銹鋼10年35.3%(日)石油化工10年42.2%(美)原子能10年18.7%6.1.2產(chǎn)生SCC的基本條件SCC需要同時(shí)具備三個(gè)條件敏感的金屬材料特定的腐蝕介質(zhì)足夠大的拉伸應(yīng)力特定的材料：不存在應(yīng)力時(shí)，單純的腐蝕作用？No

不存在腐蝕時(shí)，單純的應(yīng)力作用？No幾乎所有的金屬或合金在特定的介質(zhì)中都有一定的SCC敏感性，合金和含有雜質(zhì)的金屬比純金屬更容易產(chǎn)生SCC純度99.99%的Cu在含氨介質(zhì)中不會發(fā)生腐蝕斷裂，但含有0.04%的P和0.01%的Sb時(shí)則發(fā)生開裂純度99.99%的Fe在硝酸鹽中很難開裂，但含0.04%C時(shí)則容易產(chǎn)生硝脆(1)敏感材料每種合金的SCC只對某些特定的介質(zhì)敏感，并不是任何介質(zhì)都能引起SCC材料與環(huán)境的交互作用反映在電位上就是SCC一般發(fā)生在活化－鈍化或鈍化－過鈍化的過渡區(qū)電位范圍，即鈍化膜不完整的電位區(qū)間(2)特定介質(zhì)Ei含氯離子水溶液、有機(jī)溶劑鋯合金熔融氫氧化物、熱濃氫氧化物溶液、HF蒸汽和溶液鎳和鎳合金濕空氣、高純水、氟化物、KCl＋K2CrO4溶液鎂和鎂合金發(fā)煙硝酸、甲醇（蒸汽）、NaCl溶液（>290℃）、HCl（10％，35℃）、H2SO4（6-7％）、濕Cl2（288℃，346℃，427℃）、N2O4（含O2，不含NO，24-74℃）鈦和鈦合金含NH4+的溶液、氨蒸汽、汞鹽溶液、SO2大氣、水蒸汽銅和銅合金熔融NaCl、濕空氣、海水、含鹵素離子的水溶液、有機(jī)溶劑鋁合金氯化物水溶液、高溫高壓含氧高純水、連多硫酸、堿溶液奧氏體不銹鋼各種水介質(zhì)、含痕量水的有機(jī)溶劑、HCN溶液高強(qiáng)鋼NaOH溶液、硝酸鹽溶液、含H2S和HCl溶液、CO－CO2－H2O、碳酸鹽、磷酸鹽低碳鋼介質(zhì)材料一些金屬和合金產(chǎn)生SCC的特定介質(zhì)工作狀態(tài)下材料承受外加載荷造成的工作應(yīng)力在生產(chǎn)、制造、加工和安裝過程中在材料內(nèi)部形成的熱應(yīng)力、形變應(yīng)力等殘余應(yīng)力由裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的體積效應(yīng)造成的楔入作用或是陰極反應(yīng)形成的氫產(chǎn)生的應(yīng)力(3)拉伸應(yīng)力

SCC體系存在臨界應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC

，一般應(yīng)力愈大,開裂時(shí)間愈短；應(yīng)力愈小，開裂時(shí)間愈長，應(yīng)力小到一定值時(shí)，不發(fā)生SCC；斷裂時(shí)間是評價(jià)材料SCC敏感性的重要指標(biāo)。6.1.3SCC的特征典型的滯后破壞裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型裂紋擴(kuò)展速度比均勻腐蝕快約106倍SCC開裂是一種低應(yīng)力的脆性斷裂(1)SCC是典型的滯后破壞材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，需要經(jīng)過一定時(shí)間使裂紋形核、裂紋亞臨界擴(kuò)展，并最終達(dá)到臨界尺寸，發(fā)生失穩(wěn)斷裂

孕育期——裂紋萌生階段，即裂紋源成核所需時(shí)間，約占整個(gè)時(shí)間的90％左右裂紋擴(kuò)展期——裂紋成核后直至發(fā)展到臨界尺寸所經(jīng)歷的時(shí)間快速斷裂期——裂紋達(dá)到臨界尺寸后，由純力學(xué)作用裂紋失穩(wěn)瞬間斷裂整個(gè)斷裂時(shí)間，與材料、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)，短則幾分鐘，長可達(dá)若干年。對于一定的材料和介質(zhì)，應(yīng)力降低，斷裂時(shí)間延長對大多數(shù)的腐蝕體系來說，存在一個(gè)臨界應(yīng)力σth（臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC），在此臨界值以下，不發(fā)生SCC（2）裂紋形態(tài)宏觀上應(yīng)力腐蝕破裂屬于脆性斷裂，即使高塑性金屬亦如此，微觀斷裂面仍有塑性流變痕跡。SCC裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型三種裂紋的途徑取決于材料與介質(zhì)，同一材料因介質(zhì)變化，裂紋途徑也可能改變應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特點(diǎn)：裂紋起源于表面裂紋的長寬不成比例，相差幾個(gè)數(shù)量級裂紋擴(kuò)展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向裂紋一般呈樹枝狀晶間型——裂紋沿晶界擴(kuò)展，如軟鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金等穿晶型——裂紋穿越晶粒而擴(kuò)展，如奧氏體不銹鋼、鎂合金等混合型——鈦合金晶間型穿晶型（3）SCC裂紋擴(kuò)展速度SCC裂紋擴(kuò)展速度一般為10-6-10-3mm/min，比均勻腐蝕快約106倍，僅為純機(jī)械斷裂速度的10-10。斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形，大多數(shù)條件下是脆性斷口——解理、準(zhǔn)解理或沿晶由于腐蝕的作用，斷口表面顏色暗淡，可見腐蝕坑和二次裂紋穿晶型：微觀斷口往往具有河流花樣、扇形花樣、羽毛狀花樣等形貌特征晶間型：顯微斷口呈冰糖塊狀（4）低應(yīng)力的脆性斷裂沿晶應(yīng)力腐蝕開裂-IGSCC穿晶應(yīng)力腐蝕開裂-TGSCC6.1.4SCC機(jī)理(1)應(yīng)力腐蝕譜晶間腐蝕腐蝕為主應(yīng)力為主脆性斷裂碳鋼Al-Zn-Mg低合金鋼黃銅奧氏體不銹鋼Mg-Al鈦合金高強(qiáng)度鋼NO3-Cl-Cl-NH4+Cl-CrO42--Cl甲醇H2O介質(zhì)和濕H2S硝脆氯脆氯脆氨脆氯脆氯脆甲醇脆氫脆已存在活化途徑（沿晶界選擇溶解機(jī)理）應(yīng)變產(chǎn)生的活化途徑（膜破裂機(jī)理、滑移-溶解-斷裂機(jī)理）三向應(yīng)力區(qū)的特殊吸附（應(yīng)力吸附機(jī)理、氫脆機(jī)理）陽極溶解機(jī)理氫致開裂SCC的氫致開裂機(jī)理(2)SCC機(jī)理可以分為兩大類陽極溶解型機(jī)理氫致開裂型機(jī)理(a)陽極溶解型機(jī)理在發(fā)生SCC的環(huán)境中，金屬表面通常被鈍化膜覆蓋，金屬不與腐蝕介質(zhì)直接接觸當(dāng)鈍化膜遭受局部破壞后，裂紋形核，并在應(yīng)力作用下裂紋尖端沿某一擇優(yōu)路徑定向活化溶解，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂A膜局部破裂導(dǎo)致裂紋形核B裂尖定向溶解導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展C斷裂A膜局部破裂導(dǎo)致裂紋形核合金表面鈍化膜可因電化學(xué)作用或機(jī)械作用發(fā)生局部破壞，使裂紋形核。電化學(xué)作用通過點(diǎn)蝕或晶間腐蝕等局部腐蝕來誘發(fā)SCC裂紋機(jī)械作用由于膜的延展性或強(qiáng)度較基體金屬差，受力變形后局部膜破裂，誘發(fā)SCC裂紋B裂紋尖端定向溶解導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展裂紋內(nèi)部形成了“閉塞電池”，進(jìn)而在裂紋尖端和裂紋壁之間形成了“活化－鈍化腐蝕電池”，創(chuàng)造了裂紋尖端快速溶解+自催化的電化學(xué)條件應(yīng)力和材料的不均勻性（預(yù)存活性途徑）為快速溶解提供了擇優(yōu)腐蝕的途徑預(yù)存活性途徑和應(yīng)變產(chǎn)生的活性途徑分別導(dǎo)致沿晶和穿晶SCC裂紋擴(kuò)展C斷裂在SCC裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，裂紋失穩(wěn)而導(dǎo)致純機(jī)械斷裂有點(diǎn)蝕坑形成時(shí)，應(yīng)力的作用下從點(diǎn)蝕坑底部可誘發(fā)SCC裂紋SCC微觀觀察SCC裂紋尖端高分辨像

Ei電化學(xué)作用下的裂紋形核SCC與電極電位奧氏體不銹鋼的SCC機(jī)理Cr-Ni奧氏體不銹鋼在熱濃的MgCl2溶液中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂，即從裂紋尖端產(chǎn)生陽極溶解而引起的斷裂——滑移-溶解-斷裂機(jī)理。奧氏體不銹鋼表面有一層Cr、Ni氧化物構(gòu)成的鈍化膜，在MgCl2溶液中穩(wěn)定性較差在應(yīng)力作用下，位錯(cuò)塞積位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動至金屬表面，在表面產(chǎn)生滑移臺階，使表面膜產(chǎn)生局部破裂并暴露活潑的新鮮金屬基體金屬發(fā)生陽極快速溶解隨后在拉應(yīng)力繼續(xù)作用下，蝕坑底部應(yīng)力集中，鈍化膜再次破裂，形成新的活性陽極區(qū)，繼續(xù)深入地進(jìn)行陽極溶解伴隨著陽極溶解產(chǎn)生陽極極化，使陽極周圍鈍化，在蝕坑即裂紋尖端周邊重新生成鈍化膜——位錯(cuò)停止沿滑移面滑移，重新開始塞集如此反復(fù)作用，應(yīng)力腐蝕破裂的裂紋不斷向開裂的前沿發(fā)展，造成縱深穿晶的裂紋，直至斷裂抑制橫向溶解的主要因素是再鈍化滑移-溶解-斷裂理論:表面膜的形成應(yīng)力作用下金屬產(chǎn)生滑移引起表面膜的破裂裸露金屬的陽極溶解裸露金屬的再鈍化6.1.5SCC的影響因素

346.1.6防止SCC的措施改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小應(yīng)力集中和避免腐蝕介質(zhì)的積存在部件的加工、制造和裝配過程中盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力可通過熱處理、表面噴丸等方法消除殘余應(yīng)力（１）選材根據(jù)材料的具體使用環(huán)境，盡量避免使用對SCC敏感的材料（２）消除應(yīng)力使用有機(jī)涂層可將材料表面與環(huán)境分開使用對環(huán)境不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層，都可減少材料SCC敏感性（３）涂層控制或降低有害的成分在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑通過改變電位、促進(jìn)成膜、阻止氫或有害物質(zhì)的吸附等，影響電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)而起到緩蝕作用，改變環(huán)境的敏感性質(zhì)（４）改善介質(zhì)環(huán)境應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在活化－鈍化和鈍化－過鈍化兩個(gè)敏感電位區(qū)間可以通過控制電位進(jìn)行陰極保護(hù)或陽極保護(hù)防止SCC的發(fā)生（５）電化學(xué)保護(hù)氫脆——金屬材料的脆性降低氫損傷——除韌性降低和開裂，還包括材料其他物理性能或化學(xué)性能的下降，含義更廣氫致開裂或斷裂6.2.1氫致開裂（HydrogenInducedCracking－HIC）原子氫在合金晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲入和擴(kuò)散所導(dǎo)致的脆性斷裂破壞的現(xiàn)象，又稱作氫脆或氫損傷。氫損傷氫壓引起的微裂紋（鋼中的白點(diǎn)、焊接冷裂紋）高溫高壓氫腐蝕氫化物相或氫致馬氏體相變氫致塑性損失6.2氫致開裂

6.2.2氫致開裂的原因如果基體內(nèi)部存在空位、缺陷，使氫原子在缺陷內(nèi)形成氫分子，氫分子進(jìn)一步聚集而產(chǎn)生很大的壓力，從而形成氫鼓泡，降低了金屬原子之間的結(jié)合強(qiáng)度，使材料變脆如果氫脆的金屬又受到超過臨界值的拉應(yīng)力，金屬就會開裂破壞，即氫裂金屬在溶液中，由于腐蝕、不恰當(dāng)?shù)乃嵯?、陰極保護(hù)等使表面有氫產(chǎn)生，氫原子很容易復(fù)合為氫分子從表面逸出6.2.3氫損傷的特征氫損傷導(dǎo)致金屬材料韌性和塑性下降，使材料開裂和脆斷，根據(jù)氫引起金屬破壞的條件、機(jī)理和形態(tài)：氫鼓泡氫脆脫碳?xì)涓g氫進(jìn)入金屬內(nèi)部-金屬局部變形-破壞金屬結(jié)構(gòu)氫進(jìn)入金屬內(nèi)部-金屬韌性和抗拉強(qiáng)度下降氫與滲碳體作用-脫碳-鋼的強(qiáng)度下降合金組分與氫反應(yīng)氫的來源——內(nèi)氫和外氫；氫的存在形式——H原子、離子、分子、氫化物、氣團(tuán)等氫的分布——應(yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端處氫損傷由氫與材料交互作用引起H++e→H陰極陽極M→M++eH++e→HM→M++e斷裂氫損傷和應(yīng)力腐蝕斷裂在產(chǎn)生原因和機(jī)理的區(qū)別裂紋擴(kuò)展是由于裂紋的陽極溶解，而裂紋的擴(kuò)展途徑，合金內(nèi)部原已存在的活性通道、裂紋前沿因塑性變形而形成的活性區(qū)。相應(yīng)的陰極過程對應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展不產(chǎn)生直接的影響。氫損傷是由于合金中吸收了陰極反應(yīng)產(chǎn)物氫原子，誘導(dǎo)脆性而產(chǎn)生和擴(kuò)展的。相應(yīng)的陽極過程僅是提供電子，對氫脆不產(chǎn)生直接影響。應(yīng)力腐蝕開裂氫損傷金屬處于陽極敏感的電位區(qū)金屬作為陰極時(shí)的敏感電位區(qū)陽極過程的應(yīng)力腐蝕斷裂可因陰極保護(hù)而停止陰極過程的氫損傷，可因陽極防護(hù)而不再進(jìn)行外加陽極電流使試樣陽極極化，陽極溶解加快，斷裂加速外加陰極電流使試樣陰極極化，陰極析氫反應(yīng)加快，斷裂加速6.2.4金屬中氫的行為氫的來源氫的傳輸氫的去處造成結(jié)果氫損傷的過程涉及(1)氫的來源（a）內(nèi)氫——材料在使用前內(nèi)部就已經(jīng)存在的氫冶煉過程：爐中水分分解成氫進(jìn)入液態(tài)金屬，在凝固過程中來不及擴(kuò)散出去——鋼中的白點(diǎn)和鋁合金中的亮點(diǎn)加工過程：熱處理、酸洗、電鍍、焊接焊接：局部冶煉－焊條中的水分分解－焊接冷裂紋酸洗：部分表層金屬+酸＝氫進(jìn)入金屬－氫致裂紋或氫鼓泡電鍍：工件為陰極，表面析氫（b）外氫（環(huán)境氫）——金屬表面產(chǎn)生活性氫原子進(jìn)入金屬中材料在使用過程中與含氫介質(zhì)接觸或進(jìn)行陰極析氫反應(yīng)吸收的氫；H2或H2S氣體石化工業(yè)中的反應(yīng)塔、水煤發(fā)生器、油氣管道等物理吸附－分解成原子氫－化學(xué)吸附－溶解在金屬中水溶液析氫反應(yīng)濕空氣很多金屬間化合物中的吸水活潑元素與水反應(yīng)生成H(2)氫的存在形式氫在金屬中的分布是不均勻的，主要富集在應(yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端等缺陷處，并向拉伸應(yīng)力集中處擴(kuò)散和富集H－、H、H＋——?dú)淇梢訦－、H、H＋的形式固溶在金屬中氫分子H2——當(dāng)金屬中的氫含量超過溶解度時(shí)，氫原子往往在金屬的缺陷（孔洞、裂紋、晶間等）聚集形成氫分子氫化物——?dú)湓赩、Ti、Zr等IVB或VB族金屬中的溶解度較大；但超過溶解度后會形成TiHx，Ni也可以形成氫化物CH4氣體氣團(tuán)——?dú)渑c位錯(cuò)結(jié)合形成氣團(tuán)，可看作一種相（３）氫在金屬中的溶解度當(dāng)T恒定時(shí)，當(dāng)p恒定時(shí)，對Fe而言，氫的溶解是吸熱過程，隨溫度升高，氫的溶解度增大氫在金屬中的溶解度取決于溫度和壓力，在氣體氫和溶解在金屬中的氫達(dá)到平衡時(shí)：（４）氫陷阱固溶在金屬中的氫原子占據(jù)晶體點(diǎn)陣的最大間隙位置，如bcc金屬的四面體間隙和fcc金屬的八面體間隙。實(shí)測氫濃度>>點(diǎn)陣中的溶解度少量氫處于晶格間隙外，絕大部分氫處于各種缺陷位置，如晶界、位錯(cuò)、空位、孔隙等——?dú)湎葳逄幱诰Ц耖g隙位置的氫原子（濃度為CL）可以被陷阱捕獲，而陷阱中的氫原子（濃度為CT）也可能跑出陷阱進(jìn)入晶格間隙位置。在平衡時(shí)：平衡常數(shù)：

Eb——陷阱結(jié)合能

氫在陷阱中的富集可能導(dǎo)致氫致開裂：過飽和的氫原子在孔隙中結(jié)合成分子氫，產(chǎn)生非常大的壓力。如：若鋼中氫濃度為4×10-6，相應(yīng)氫壓高達(dá)104MPa以上Eb較小（≤0.6eV），則平衡常數(shù)K就小。在室溫下氫也能從陷阱中跑出來，這種陷阱為可逆陷阱。處于可逆陷阱中的氫在室溫就能參與氫的擴(kuò)散及氫致開裂過程Eb較大（>0.6eV），室溫下捕獲在陷阱中的氫難以跑出，這類陷阱為不可逆陷阱?？赡嫦葳搴筒豢赡嫦葳逶谕獠織l件（如溫度）變化時(shí)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變（5）氫的傳輸引起氫致開裂的平均氫含量一般都很低，氫致開裂需要?dú)涞木植扛患?，而富集是通過氫在金屬中的傳輸來實(shí)現(xiàn)的。氫的傳輸有擴(kuò)散和位錯(cuò)遷移兩種方式擴(kuò)散

正常擴(kuò)散：從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置異常擴(kuò)散：沿晶界、位錯(cuò)通道擴(kuò)散及隧道效應(yīng)位錯(cuò)遷移——位錯(cuò)帶著氫氣團(tuán)一起運(yùn)動(a)擴(kuò)散金屬中存在氫的濃度梯度或應(yīng)力梯度時(shí)就會導(dǎo)致氫的擴(kuò)散存在氫的濃度梯度時(shí)，氫將從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散常溫下，由于氫陷阱的存在，對氫在金屬中的擴(kuò)散行為影響較大；高溫下，影響較小(b)位錯(cuò)遷移位錯(cuò)是一種特殊的氫陷阱位錯(cuò)能將氫原子捕獲在其周圍，形成科垂?fàn)枤鈭F(tuán)位錯(cuò)能夠遷移氫：氫在金屬中擴(kuò)散快，在位錯(cuò)運(yùn)動時(shí)氫氣團(tuán)能夠跟上位錯(cuò)一起運(yùn)動當(dāng)運(yùn)動的位錯(cuò)遇到與氫結(jié)合能更大的不可逆陷阱時(shí)，氫將被“傾倒”在這些陷阱處6.2.5氫脆的分類按照氫脆敏感性與應(yīng)變速率的關(guān)系，可分為：第一類氫脆第二類氫脆材料加載前內(nèi)部已存在裂紋源，加載后在應(yīng)力作用下加快了裂紋的形成與擴(kuò)展,使材料的塑性或強(qiáng)度降低即使從金屬中除氫，損傷也不能消除，塑性或強(qiáng)度也不能恢復(fù)，造成金屬的永久性損傷(不可逆氫脆)

氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率增加而降低材料在加載前并不存在裂紋源，加載后在應(yīng)力和氫的交互作用下逐漸形成裂紋源，最終導(dǎo)致脆性斷裂氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率增加而增加(a)第一類氫脆氫腐蝕——由于氫在高溫高壓下與金屬中第二相（夾雜物或合金添加物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成高壓氣體（如CH4、SiH4）引起材料脫碳、內(nèi)裂紋和鼓泡的現(xiàn)象氫鼓泡——過飽和的氫原子在缺陷位置（如夾雜）析出，形成氫分子，在局部造成很高的氫壓，引起表面鼓泡或內(nèi)部裂紋的現(xiàn)象氫化物型氫脆——?dú)渑cIVB和VB族金屬有較大的親和力，含氫量較高時(shí)容易生產(chǎn)脆性的氫化物相，并在隨后受力時(shí)成為裂紋源，引起脆斷(b)第二類氫脆

可逆氫脆：指含氫金屬在高速變形時(shí)并不顯示脆性，而在緩慢變形時(shí)由于氫逐漸向應(yīng)力集中處富集，在應(yīng)力與氫交互作用下裂紋形核、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性的斷裂。在未形成裂紋前去除載荷，靜置一段時(shí)間后高速變形，材料的塑性可以得到恢復(fù)，即應(yīng)力去除后脆性消失。應(yīng)力誘發(fā)氫化物型氫脆：

在應(yīng)力作用下氫向應(yīng)力集中處富集，當(dāng)氫濃度超過臨界值時(shí)沉淀出氫化物。這種應(yīng)力誘發(fā)的氫化物相變只是在較低的應(yīng)變速率下出現(xiàn)，并導(dǎo)致脆性斷裂。一旦出現(xiàn)氫化物，即使卸載除氫，靜置一段時(shí)間后再高速變形，塑性也不能恢復(fù)，也是不可逆氫脆6.2.6氫損傷機(jī)理可逆氫脆氫鼓泡氫腐蝕氫化物型氫脆(1)氫脆氫脆是指由于氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象。金屬內(nèi)部存在氫，使金屬的韌性和抗拉強(qiáng)度下降，在靜載荷的作用下過早地破壞。氫濃度達(dá)到PPM量級，即可造成氫脆。氫脆機(jī)理氫促進(jìn)局部塑性變形理論（H與位錯(cuò)交互作用機(jī)理）吸附氫降低表面能理論氫壓理論弱鍵理論（點(diǎn)陣脆化理論）（a）氫脆的機(jī)理H2(gas)σσ裂紋尖端H2(gas)σσ物理吸附分離、化學(xué)吸附H2(gas)σσ氫擴(kuò)散在應(yīng)力的作用下，氫原子向裂紋前沿的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散氫的擴(kuò)散，阻礙了裂紋前沿的位錯(cuò)運(yùn)動，造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗塑性變形的能力H2(gas)σσσxσmax在外力的作用下，能量只能通過裂紋擴(kuò)展來釋放，氫的存在加速了裂紋擴(kuò)展（b）裂紋形態(tài)－與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)顯微空穴聚結(jié)穿晶沿晶a-高應(yīng)力 b-中應(yīng)力 c-低應(yīng)力(c)影響因素對第二類氫脆，隨應(yīng)變速率的降低，氫脆敏感性升高溫度升高，氫脆敏感性降低。氫脆一般發(fā)生在室溫附近（-30到+30℃），溫度高于65℃，一般不產(chǎn)生氫脆最易產(chǎn)生氫脆的材料是高強(qiáng)鋼應(yīng)變速率必須與氫的擴(kuò)散速率相適應(yīng)以使氫有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散并在裂紋前端富集達(dá)到臨界濃度(2)氫鼓泡氫吸附在金屬表面后，向內(nèi)部擴(kuò)散過飽和的氫原子在缺陷位置（夾雜、空穴）析出后，形成氫分子在局部區(qū)域造成高氫壓，形成內(nèi)部裂紋若內(nèi)部裂紋正好位于表面下方，外層金屬就會向上突出，形成表面鼓泡，使鋼材撕裂（a）氫鼓泡機(jī)理H2(gas)物理吸附H2(gas)分離、化學(xué)吸附H2(gas)氫擴(kuò)散H2(gas)鼓泡形成1234環(huán)境鋼H2S+H2OH2夾雜物H鼓泡H非金屬夾雜物HH2H2偏析區(qū)HH2FeSFe2+HS-H+HS-H+氫鼓泡是第一類氫脆氫鼓泡多發(fā)生于低強(qiáng)鋼，在沒有應(yīng)力存在的情況下也可發(fā)生，裂紋平行于軋制的板面對高強(qiáng)鋼，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋與主應(yīng)力方向垂直氫鼓泡發(fā)生在金屬表面，根源——外界氫向鋼中滲入材料：降低S含量、合金化、組織等降低金屬表面的氫含量使用緩蝕劑避免陰極保護(hù)（外加陰極電流，發(fā)生陰極極化，加快陰極析氫反應(yīng)）避免異種金屬搭接形成電偶(b)氫鼓泡的特征（c）抑制措施(3)氫腐蝕氫在高溫高壓下與金屬中第二相（夾雜物或合金添加物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成高壓氣體（如CH4、SiH4）引起材料脫碳、內(nèi)裂紋和鼓泡的現(xiàn)象氫與碳反應(yīng)形成甲烷在晶粒邊界形成甲烷氣泡鋼內(nèi)部的氣泡最終發(fā)展成裂紋機(jī)理氫腐蝕機(jī)理的示意圖(4)氫化物型氫脆氫與IVB和VB族金屬有較大的親和力，含氫量較高時(shí)容易生產(chǎn)脆性的氫