第六章-氫脆課件

第六章氫脆6.1氫脆現(xiàn)象與分類6.2氫脆的機(jī)理6.3第一類氫脆6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.1氫脆氫脆也稱為氫損傷，它是氫進(jìn)入材料內(nèi)部而引起材料的塑性下降的現(xiàn)象。氫原子直徑為0.64?。氫在自然界可以離子存在和氫分子存在，即氫氣。在常溫下，氫氣的化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的。在高溫下，氫氣是高度活潑的，在點(diǎn)燃或加熱的條件下，氫氣很容易和多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成氫的化合物。由于氫的原子小，材料在含氫的環(huán)境中，氫原子很容易進(jìn)入材料內(nèi)，在一定的條件下產(chǎn)生所謂的氫損傷。氫與金屬的交互作用，可能形成以下幾種狀態(tài)：形成固溶體、氫化物、分子態(tài)氫以及氫與金屬中的第二組元作用生成氣體產(chǎn)物。由于存在的狀態(tài)不同，交互作用的性質(zhì)不同，引起氫脆的機(jī)制也不同，這樣防止氫脆的方法也就不同。

6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.1氫脆

材料氫脆是材料-環(huán)境-力學(xué)電化學(xué)三方面的因素協(xié)同作用的結(jié)果。

在這三個(gè)因素疊加的區(qū)域?yàn)闅浯嗟陌l(fā)生區(qū)。與應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂不同的是，力學(xué)電化學(xué)因素，可以是力學(xué)的或是電化學(xué)的驅(qū)動(dòng)力。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1氫脆現(xiàn)象與分類

6.1.2氫脆的分類1）

內(nèi)氫脆化和環(huán)境氫脆內(nèi)氫脆化:金屬受力前由于經(jīng)過(guò)冶煉、焊接、酸洗、電鍍等工藝過(guò)程而引進(jìn)了一定量的氫，受力時(shí)由于這種氫引起的氫脆稱為內(nèi)氫脆化

.汽車(chē)彈簧、墊圈、螺釘、片簧等鍍鋅件,在裝配之后數(shù)小時(shí)內(nèi)陸續(xù)發(fā)生斷裂,斷裂比例達(dá)40%～50%;獵槍精鍛用的芯棒,經(jīng)多次鍍鉻之后,墮地?cái)嗔?；有的淬火零?內(nèi)應(yīng)力大)在酸洗時(shí)便產(chǎn)生裂紋。

在尚未出現(xiàn)開(kāi)裂的情況下可以通過(guò)脫氫處理(例如加熱到200℃以上數(shù)小時(shí)，可使內(nèi)氫減少)恢復(fù)鋼材的性能。因此內(nèi)氫脆在一定的條件下是可逆的。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1氫脆現(xiàn)象與分類

6.1.2氫脆的分類1）

內(nèi)氫脆化和環(huán)境氫脆環(huán)境氫脆:金屬受力前僅含微量的不足以引起氫脆的氫，受力后從環(huán)境中吸入了氫而引起的氫脆稱為環(huán)境氫脆。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.2氫脆的分類2）第一類氫脆和第二類氫脆

按氫與外力作用的關(guān)系，將氫脆可分為第一類氫脆和第二類氫脆。第一類氫脆是在受力之前材料內(nèi)部已經(jīng)存在某種氫脆斷裂源，在應(yīng)力作用下加快了裂紋的形成與擴(kuò)展，其敏感性隨形變速度的增加而增加，如白點(diǎn)、氫蝕和氫化物氫脆屬這一類，是不可逆的，即通過(guò)減少或消除合金的氫不能消除氫脆。

第二類氫脆，是在加負(fù)荷之前材料內(nèi)部并不存在斷裂源，而是在應(yīng)力作用下由于氫與應(yīng)力的交互作用才形成斷裂源而逐步導(dǎo)致脆斷的，其敏感性隨形變速度的增加而減小。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.3氫脆與應(yīng)力腐蝕的區(qū)別

氫脆與應(yīng)力腐蝕有一定的聯(lián)系，由具有很大的區(qū)別，二者的對(duì)比列于表1中。這些區(qū)別是在構(gòu)件或零件失效分析中鑒別斷裂原因的重要依據(jù)。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.4氫陷阱

氫陷阱是指鋼中富集了氫的缺陷的位置。對(duì)鋼、鐵材料，氫在其中存在的狀態(tài)主要有固溶于晶格中和富集于氫陷阱中兩種.吸附型陷阱包括應(yīng)力場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度場(chǎng)等造成的氫的富集地；物理陷阱是由位錯(cuò)、晶界、相界、空位等缺陷造成的氫的富集地。氫與缺陷的結(jié)合能Eb是指氫占據(jù)缺陷位置后能量的降低值.6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.5氫的來(lái)源

1）冶金過(guò)程

在冶煉過(guò)程中，原料中所含的水分及爐氣中水分在高溫下分解，分解的氫進(jìn)入液態(tài)金屬。在冷卻過(guò)程中，這些氫不能及時(shí)排出來(lái)，在金屬中聚集并結(jié)合，變成氫氣泡殘留在金屬及合金中。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆

如果將試樣拉斷，通常在斷口上觀察到如魚(yú)目狀的一種白色圓形斑點(diǎn)。俗稱“白點(diǎn)”，直徑約為0.5-3mm，白點(diǎn)中心含有微細(xì)氣孔或雜質(zhì)物，對(duì)塑性韌性有較大影響。降低冶煉過(guò)程中的氫量是防止白點(diǎn)的有效措施。采用低氫冶煉工藝或爐外精煉、真空除氣可獲得潔凈鋼。

6.1.5氫的來(lái)源

2）加工過(guò)程在焊接、酸洗、電鍍等加工過(guò)程中都可能會(huì)有氫進(jìn)入材料。焊接實(shí)際上是一個(gè)局部冶煉過(guò)程，焊接時(shí)熔池的溫度高達(dá)3000℃，焊條及藥皮中所含的水分很容易分解變成氫原子，進(jìn)入金屬中。采用低氫焊條并焊前加熱，對(duì)工件焊后加熱可使氫含量大大降低，同時(shí)能消除焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免輕致冷裂紋的發(fā)生。金屬在酸洗過(guò)程中，零件表面的氧化皮和酸發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)部分金屬也和酸發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的氫會(huì)進(jìn)入金屬。為減輕酸洗引起的氫脆，往往在酸洗液中加入緩蝕劑，阻礙水化氫離子的放電過(guò)程，減少氫的產(chǎn)生。電鍍過(guò)程中，電鍍液中的水化氫離子的放電過(guò)程，也會(huì)使氫進(jìn)入金屬。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.5氫的來(lái)源

3）服役過(guò)程

很多結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或零件在腐蝕環(huán)境中服役，在服役過(guò)程中環(huán)境中的氫也會(huì)進(jìn)入金屬內(nèi)部，是金屬內(nèi)部的氫含量增加。

在含氫氣或H2S氣體的環(huán)境中工作的構(gòu)件，如石油化工中的反應(yīng)塔、油氣輸送管道，環(huán)境中的氫會(huì)進(jìn)入材料內(nèi)。構(gòu)件在水溶液中腐蝕或應(yīng)力腐蝕時(shí)，因陰極的電極反應(yīng)，還原的氫也會(huì)進(jìn)入金屬。當(dāng)構(gòu)件工作在潮濕的空氣環(huán)境中，金屬的腐蝕過(guò)程產(chǎn)生氫，也有可能進(jìn)入金屬，但由于在是在空氣，這種作用一般影響很小。但對(duì)一些金屬間化合物，如FeAl、Ni3Si等卻具有明顯的影響，存在明顯的氫脆現(xiàn)象。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.5氫的來(lái)源

4）實(shí)驗(yàn)室充氫

為模擬實(shí)際構(gòu)件或材料的氫脆，研究氫脆的規(guī)律，往往在實(shí)驗(yàn)室對(duì)試樣進(jìn)行充氫，然后研究氫脆的行為。主要采用氣相充氫和水溶液電解充氫。氣相充氫是將試樣是在高溫高壓或常壓的氫氣中放置一定的時(shí)間，氫會(huì)進(jìn)入試樣。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2氫脆的機(jī)理

6.2.1形成氫化物機(jī)制1）氫化物機(jī)制描述對(duì)和氫結(jié)合力強(qiáng)的金屬，當(dāng)氫進(jìn)入合金在裂紋尖端與金屬組元形成氫化物，則在氫化物脆性相周?chē)鹆藨?yīng)力集中，從而引起了金屬的脆性。2）解釋現(xiàn)象

純鈦及

鈦合金、鈮等的氫脆屬于形成氫化物機(jī)制。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機(jī)制1）氫壓機(jī)制的描述當(dāng)金屬的缺陷中或晶格中富集了過(guò)飽和的氫時(shí)，氫原子結(jié)合成氫分子，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)氫氣的壓力等于原子的鍵合力，使局部地區(qū)的原子鍵斷裂形成微裂紋、氣泡或孔洞。2）氫損傷過(guò)程在含氫氣的環(huán)境中，存在平衡H2?2H。在含有氫離子的電解質(zhì)溶液中或電解充氫過(guò)程中，存在氫在金屬表面的還原反應(yīng)H++e→H。分解或還原的氫原子進(jìn)入金屬，其濃度和氫壓成正比：

p為氫的壓力，A為系數(shù)，Q為熱激活能，R為氣體常數(shù)，T為溫度

6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機(jī)制2）氫損傷過(guò)程

進(jìn)入金屬中的氫原子在氫陷阱聚集，如空位、位錯(cuò)、晶界、第二相界面，又會(huì)復(fù)合成氫氣，2H→H2。

這時(shí)，在陷阱處氫氣的壓力p就與濃度CH的平方成正比，。當(dāng)局部的氫壓等于原子的鍵合力，則使局部地區(qū)的原子鍵斷裂形成微裂紋，在金屬內(nèi)產(chǎn)生不可恢復(fù)的氫損傷。6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機(jī)制2）氫損傷過(guò)程金屬在酸洗、電鍍、電解充氫或H2S溶液浸泡過(guò)程中出現(xiàn)的氫致開(kāi)裂或氫鼓泡。

6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機(jī)制2）氫損傷過(guò)程淬回火的高強(qiáng)度緊固螺栓在電鍍后發(fā)現(xiàn)的氫致開(kāi)裂斷口，開(kāi)裂的部位在螺栓截面變化處，打斷螺栓其微觀斷口為典型的沿晶開(kāi)裂.6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機(jī)制2）氫損傷過(guò)程

對(duì)低強(qiáng)度的金屬，氫聚合成氫氣，所產(chǎn)生的氫壓超過(guò)金屬的屈服強(qiáng)度，氣泡周?chē)a(chǎn)生塑性變形，在表面形成氫鼓泡。

氫致開(kāi)裂、氫鼓泡、白點(diǎn)是在不存在外應(yīng)力的情況下發(fā)生。當(dāng)局部的氫壓足夠大時(shí)，不需要外部的應(yīng)力，也會(huì)成氫脆現(xiàn)象。當(dāng)存在外應(yīng)力及內(nèi)應(yīng)力,對(duì)氫壓裂紋的形核具有一定的促進(jìn)作用。3）解釋現(xiàn)象

各種不可逆氫損傷，如鋼中的白點(diǎn)，H2S誘發(fā)裂紋、焊接冷裂紋以及充氫時(shí)產(chǎn)生的氫鼓泡和裂紋，可用氫壓理論來(lái)解釋。

6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.3吸附機(jī)制1）吸附機(jī)制的描述金屬表面吸附了氫后，降低了表面自由能，從而降低了開(kāi)裂功，促進(jìn)了微裂紋的形成和擴(kuò)展，便產(chǎn)生了氫脆。2）吸附機(jī)制的過(guò)程根據(jù)Griffith理論，脆性材料斷裂的臨界應(yīng)力當(dāng)氫吸附在表面，使得表面能由γ降低到γH,必然使材料的臨界斷裂應(yīng)力σc由降低到σcH

，或應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC從下降到KIH

6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.3吸附機(jī)制

對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)，斷裂時(shí)裂紋尖端存在塑性變形，斷裂吸收塑性變形功。當(dāng)塑性變形功遠(yuǎn)大于表面能時(shí)，氫對(duì)和的影響不明顯。3）解釋現(xiàn)象這一機(jī)制是十分脆材料的主要?dú)浯鄼C(jī)制。

6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.4晶格弱化機(jī)制1）晶格弱化機(jī)制的描述當(dāng)氫進(jìn)入金屬中，固溶的氫使晶格膨脹，導(dǎo)致原子的鍵合力下降，使得晶格弱化，在比較低的外力作用下便使材料開(kāi)裂，從而產(chǎn)生氫脆。2）損傷過(guò)程

根據(jù)斷裂力學(xué)，當(dāng)材料局部的應(yīng)力集中等于原子的鍵合力，原子鍵就斷裂，從而形成微裂紋。

當(dāng)金屬中存在固溶的氫時(shí)，氫原子能使原子的鍵合力下降，這樣金屬發(fā)生斷裂所需要的外力下降，則局部應(yīng)力集中所需的臨界應(yīng)力從沒(méi)有氫脆時(shí)的σc下降到σcH，或應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC從下降到KIH

。6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.4晶格弱化機(jī)制對(duì)光滑試樣，氫致臨界斷裂應(yīng)力σcH和試樣中的平均氫含量有關(guān):當(dāng)外應(yīng)力σ等于σcH，微裂紋形核對(duì)裂紋試樣，由斷裂力學(xué)應(yīng)力轉(zhuǎn)換為裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子：

則當(dāng)外應(yīng)力決定的KI等于KIH微裂紋形核。試樣中的氫含量越高，氫致微裂紋形核所需要的KI就越低。在這種情況下，氫脆降低裂紋試樣的斷裂韌性。6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.4晶格弱化機(jī)制

關(guān)于弱鍵理論的物理本質(zhì)并不十分清楚，但已經(jīng)被廣泛接受。一般認(rèn)為，H的1s電子進(jìn)入過(guò)渡金屬中沒(méi)有填滿的d帶，從而使d帶電子密度升高，同時(shí)也使d帶和s帶重疊部分的電子密度升高。

對(duì)過(guò)渡金屬，原子間的排斥力隨d帶和s帶重疊部分電子密度的升高而升高，氫使過(guò)渡金屬排斥力升高，相當(dāng)于降低了原子的鍵合力。

6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.4晶格弱化機(jī)制

3）解釋現(xiàn)象

按照氫脆的定義，它是氫進(jìn)入材料內(nèi)部而引起材料的塑性下降的現(xiàn)象。對(duì)一些氫脆過(guò)程，如果金屬的斷裂應(yīng)力或斷裂的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子下降，均可用晶格弱化機(jī)制。如高韌性鋼在預(yù)充氫后進(jìn)行緩慢的拉伸，或在含氫溶液中的緩慢拉伸，后者通常稱為動(dòng)態(tài)充氫，是緩慢增長(zhǎng)的應(yīng)力和充氫同時(shí)作用。應(yīng)該指出，氫進(jìn)入金屬晶格作為間隙原子存在，同樣具有固溶強(qiáng)化的作用，所以在很多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)光滑試樣預(yù)充氫后緩慢拉伸，金屬的強(qiáng)度有所增加，但塑性也有所降低，這并不是氫脆現(xiàn)象。6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進(jìn)局部塑性變形機(jī)制

1）氫促進(jìn)局部塑性變形的描述進(jìn)入金屬中的氫，促進(jìn)位錯(cuò)的發(fā)射和運(yùn)動(dòng)，即局部塑性變形，位錯(cuò)啟動(dòng)所需的外應(yīng)力下降。

當(dāng)局部塑性變形發(fā)展到臨界條件，金屬局部地方的應(yīng)力集中等于被氫降低了的原子鍵合力，從而導(dǎo)致微裂紋在應(yīng)力集中處形核，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進(jìn)局部塑性變形機(jī)制2）氫促進(jìn)局部塑性變形的過(guò)程由于韌性材料在斷裂前多多少少要發(fā)生一定量的塑性變形，在裂紋尖端則可能發(fā)生比較多的局部位錯(cuò)發(fā)送和運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氫進(jìn)入金屬，氫會(huì)促進(jìn)這一過(guò)程。由于氫的促進(jìn)作用，含氫試樣比空氣中拉伸時(shí)具有更低的外應(yīng)力就可促進(jìn)局部的塑性變形，當(dāng)塑性變形發(fā)展到臨界條件，使得局部的應(yīng)力集中σy等于被氫降低了的原子鍵合力σcH

，從而導(dǎo)致氫致微裂紋在應(yīng)力集中處形核。裂紋形核后，氫原子進(jìn)入微裂紋復(fù)合成氫氣產(chǎn)生氫壓，使裂紋穩(wěn)定化，同時(shí)也能協(xié)助局部應(yīng)力使之解理擴(kuò)展。所以，氫促進(jìn)局部塑性變形機(jī)制同時(shí)考慮了氫促進(jìn)局部塑性變形，氫原子降低原子鍵合力以及氫壓的作用，是比較完善的氫脆新機(jī)理。6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進(jìn)局部塑性變形機(jī)制

2）氫促進(jìn)局部塑性變形的過(guò)程根據(jù)位錯(cuò)在滑移面障礙前的最大應(yīng)力集中考慮摩擦阻力τi

，位錯(cuò)塞積群前端的最大正應(yīng)力為當(dāng)外加應(yīng)力τa增大至臨界值τc以致使P點(diǎn)處（R=c，

=70.5°）的等于原子鍵合力σc時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)為c的微裂紋，則σmax達(dá)到原子的鍵合力σc

,則有如果存在氫，則氫在位錯(cuò)線上產(chǎn)生一個(gè)附加的應(yīng)力τH作用在帶H的位錯(cuò)線上，它協(xié)助外力促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，有H存在時(shí)作用在位錯(cuò)線上的合力為：式中,k為系數(shù),k>1。則含氫時(shí)位錯(cuò)塞積群前端的最大正應(yīng)力為：6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進(jìn)局部塑性變形機(jī)制2）氫促進(jìn)局部塑性變形的過(guò)程

同理，在臨界條件下，σmax達(dá)到了氫降低原子的鍵合力σcH,外力τa也達(dá)到了氫降低了的臨界切應(yīng)力τc(H)，則有氫脆時(shí)原子的鍵合力為：同樣的方法，可對(duì)裂紋建立類似的關(guān)系。6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進(jìn)局部塑性變形機(jī)制

6.2氫脆的機(jī)理

材料的斷裂與控制第6章氫脆3）解釋現(xiàn)象從定性上，氫促進(jìn)局部塑性變形機(jī)制包括氫促進(jìn)局部塑性變形、氫原子降低原子鍵合力理論以及氫壓理論，它可以解釋大多數(shù)的氫脆現(xiàn)象，但定量的處理還是比較困難。小結(jié)材料的斷裂與控制第6章氫脆氫脆概念

原因分類內(nèi)氫脆化環(huán)境氫脆

第一類氫脆第二類氫脆氫的來(lái)源氫化物機(jī)制氫壓機(jī)制吸附機(jī)制晶格弱化機(jī)制氫促進(jìn)局部塑性變形6.3第一類氫脆

第一類氫脆是在受力之前材料內(nèi)部已經(jīng)存在某種氫脆斷裂源，在應(yīng)力作用下加快了裂紋的形成與擴(kuò)展，其敏感性隨形變速度的增加而增加。常見(jiàn)的氫脆：氫蝕和氫化物氫脆。

6.3.1氫蝕

石油工業(yè)經(jīng)常需要在高溫高壓下加氫裂化。碳鋼在300～500℃溫度范圍內(nèi)，由于高壓氫氣與鋼中的碳作用會(huì)生成高壓的CH4氣泡。CH4氣泡在晶界達(dá)到一定密度后即可使材料脆化，這種現(xiàn)象叫氫蝕。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3第一類氫脆6.3.1氫蝕

碳鋼在700KSi（4826.5MPa）氫壓下，于不同溫度經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，塑性就急劇降低，顯示脆化的情況。這里存在著明顯的脆化孕育期，這是因?yàn)镃H4氣泡的形核與長(zhǎng)大需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間方能達(dá)到臨界密度。

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.1氫蝕氫蝕的脆化過(guò)程大致可分為以下幾個(gè)步驟：①滲碳體的分解

Fe3C→3Fe+〔C〕；②碳擴(kuò)散進(jìn)入氣泡；③生成甲烷〔C〕+4H→CH4；④鐵原子由CH4氣泡附近擴(kuò)散出來(lái)。

6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.1氫蝕由氫蝕過(guò)程可知，鋼中碳量的降低將有利于減緩氫蝕。因?yàn)镃H4氣泡的長(zhǎng)大決定于碳的供應(yīng)。而低碳鋼的碳分顯然要少些；

又因?yàn)镃H4氣泡的成核必須依附于鋼中的夾雜物或第二相，用Al脫氧的鋼一般在晶界上形成很多細(xì)小的夾雜物，為CH4的氣泡成核創(chuàng)造了條件，容易使CH4氣泡達(dá)到上述臨界密度，所以氫蝕的孕育期也要短些；碳鋼經(jīng)球化處理，滲碳體成球狀，表面積減少，CH4氣泡就較難達(dá)到臨界數(shù)值，這樣必然使孕育期延長(zhǎng).6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.1氫蝕在氫氣環(huán)境中，當(dāng)氫的分壓小于某一臨界值或環(huán)境溫度小于某一臨界溫度，氫蝕就不會(huì)產(chǎn)生。每種鋼曲線的上方為氫蝕的危險(xiǎn)區(qū)，曲線下方為安全區(qū)，可根據(jù)圖粗略判斷鋼材在特定的使用溫度和壓力下的危險(xiǎn)性。由圖可見(jiàn)，降低鋼的含碳量以及加入Cr、Mo、Ti、V等合金元素能改善鋼抗氫蝕的能力。

綜上所述，為了提高石油工業(yè)中高壓加氫容器的使用壽命，減緩氫蝕，宜采用低碳鋼，球化處理，鋼液不宜采用Al脫氧，應(yīng)盡可能加入少量的Ti、V等合金元素。

6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.2氫化物氫脆

氫化物氫脆主要存在于純鈦及α-Ti鈦合金中。因氫在中溶解度很小，鈦與氫又有較大的化學(xué)親和力，容易生成氫化鈦，引起氫脆。氫在β-Ti中溶解度較高，故很少遇到這種脆性。氫化物氫脆有以下特點(diǎn)：1）氫化物氫脆的敏感性隨溫度下降而降低及試樣的有缺口而增大。對(duì)斷口的研究表明，裂紋是沿氫化物與基體金屬的交界面發(fā)生，因?yàn)檫@里二相的結(jié)合較弱，二者的彈性塑性有較大差異，在外力作用下易造成脆斷。

6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.2氫化物氫脆2）氫化物氫脆只有在高速變形（如沖擊試驗(yàn)）時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)。有人解釋這是由于氫化鈦雖是一脆性相，但仍有一定塑性，在低速變形時(shí)，氫化物可與基體一起變形，使應(yīng)力得到松弛，故可不顯示脆性。3）氫化物形態(tài)和分布對(duì)脆性影響顯著。

由于氫化物的析出又與基體金屬的晶粒大小及冷卻速度有密切關(guān)系。如在細(xì)晶粒組織中，氫化物都是沿晶界析出，而且多半呈塊狀不連續(xù)的沉淀相，因此氫脆不明顯。但在粗大晶粒和氫含量又較高的鈦合金中，氫化物沿晶界呈連續(xù)的薄片狀分布，應(yīng)力集中較大，故脆性明顯。

6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4環(huán)境氫脆

環(huán)境氫脆是金屬材料在應(yīng)力及氫氣氣氛或其它含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下所引起的脆性斷裂。幾年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越重視環(huán)境氫脆，這與技術(shù)發(fā)展有密切關(guān)系。例如，宇航火箭工業(yè)常把氫作為能源，這就產(chǎn)生了貯氫的高壓溶液材料問(wèn)題。此外天然氣及石油的開(kāi)發(fā)，煤的氣化，海洋的開(kāi)發(fā)，都需要金屬材料與含氫介質(zhì)直接接觸。環(huán)境介質(zhì)除氫以外，還有H2S，H2O，各種碳?xì)浠衔镆约案鞣N水溶液。廣義的環(huán)境氫脆也就包括各種水溶液的應(yīng)力腐蝕。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4環(huán)境氫脆6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

氫致開(kāi)裂又叫氫致延遲開(kāi)裂。通常指金屬在氫和應(yīng)力的共同作用下經(jīng)歷了裂紋的萌生、擴(kuò)展到斷裂過(guò)程的現(xiàn)象。當(dāng)材料中含有一定量的固溶氫或?qū)⒃嚰胖迷诤瑲涞沫h(huán)境中施加載荷，其應(yīng)力往往小于材料屈服強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，在材料內(nèi)部的三向拉應(yīng)力區(qū)將出現(xiàn)裂紋，并逐步擴(kuò)展最終導(dǎo)致試樣斷裂。

由于材料承受的應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度，試樣斷裂的斷口沒(méi)有明顯的塑性變形，它是一種低應(yīng)力脆斷。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

光滑試樣（或裂紋試樣）的氫致延遲開(kāi)裂的應(yīng)力（應(yīng)力強(qiáng)度因子）與斷裂時(shí)間的關(guān)系如圖所示，與應(yīng)力腐蝕的情況類似。

氫致延遲開(kāi)裂也包括孕育期、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和快速擴(kuò)展三個(gè)階段。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆

當(dāng)外應(yīng)力超過(guò)氫脆的臨界應(yīng)力σcH時(shí)，所施加的應(yīng)力越大，孕育期越短，裂紋傳播速率就越快，斷裂時(shí)間就會(huì)越短。材料發(fā)生氫致延遲斷裂時(shí)，除塑性有明顯的降低外，其它的常規(guī)力學(xué)性能往往沒(méi)有發(fā)生異常變化。工程上的氫脆很大一部分屬于這一類。如果是斷裂力學(xué)試樣，氫致延遲斷裂則沒(méi)有裂紋孕育期，也存在一個(gè)氫脆的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子

KIH6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

氫致延遲開(kāi)裂具有以下特點(diǎn)：1）氫致延遲開(kāi)裂在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，氫脆的溫度范圍取決于合金的成分及變形速率。高強(qiáng)度鋼的敏感溫度范圍在-100～150℃；2）材料的氫致延遲開(kāi)裂傾向隨著變形速率的增加而降低。在形變速率大于某一臨界值后，則氫脆表現(xiàn)不出來(lái)，因此只有在慢速加載試驗(yàn)中才能呈現(xiàn)氫脆見(jiàn)圖6-9，如高韌性的管線鋼通常采用慢應(yīng)變速率加載；3）可逆性，在靜加載或慢應(yīng)變速率加載，只要沒(méi)有超過(guò)孕育期，沒(méi)有產(chǎn)生氫致微裂紋，試樣在卸載停留一段時(shí)間或試樣加熱除氫，其氫脆便消除。

v1<v2<v3<v4

6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

對(duì)低強(qiáng)度鋼，為了加速氫脆，往往采用缺口試樣，則孕育期大大縮短，這時(shí)裂紋是從缺口根部形成。環(huán)境氫的氫致開(kāi)裂過(guò)程經(jīng)歷了環(huán)境氫向金屬缺口根部表面遷移；與金屬表面接觸后發(fā)生物理、化學(xué)吸附并進(jìn)入金屬體內(nèi)；以及裂紋的萌生與擴(kuò)展過(guò)程。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

裂紋的萌生與擴(kuò)展過(guò)程如下：金屬應(yīng)力集中區(qū)（如缺口根部）構(gòu)成了氫的吸附型陷阱，同時(shí)區(qū)內(nèi)又有晶界、相界面等物理陷阱；陷阱附近可動(dòng)位錯(cuò)攜同進(jìn)入金屬中氫向陷阱遷移，當(dāng)位錯(cuò)遇到如晶界、相界面一類強(qiáng)陷阱后，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，并把其攜帶的氫泄于這些強(qiáng)陷阱中，因而強(qiáng)陷阱中的氫不斷富集，使得陷阱周?chē)Ц窠Y(jié)合力不斷降低；當(dāng)陷阱中的氫達(dá)到所謂臨界濃度時(shí)，它周?chē)Ц竦慕Y(jié)合力已降到小于其能承受的外力作用，于是應(yīng)力集中區(qū)某一個(gè)或幾個(gè)陷阱處萌生了裂紋。萌生裂紋前沿的強(qiáng)陷阱不斷地捕獲位錯(cuò)攜帶來(lái)的氫。當(dāng)其中富集的氫濃度達(dá)到臨界濃度時(shí)，沿陷阱出現(xiàn)小裂紋；小裂紋與原來(lái)的主裂紋連接，使主裂紋不斷擴(kuò)展。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

所以，在金屬中氫致裂紋往往具有跳躍式擴(kuò)展的特點(diǎn)，如圖所示。

隨著裂紋的擴(kuò)展，金屬的承載面積減小。當(dāng)該面積減小到其上承受的應(yīng)力大于該金屬的斷裂強(qiáng)度時(shí)，金屬發(fā)生斷裂。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

氫致裂紋擴(kuò)展速率（da/dt）和裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的關(guān)系呈現(xiàn)3個(gè)階段（圖6-11示）。第I階段受力學(xué)因素和介質(zhì)因素的共同控制；第II階段基本上與力學(xué)因素?zé)o關(guān)，只受介質(zhì)因素的控制；第III階段基本上僅與力學(xué)因素有關(guān),與應(yīng)力腐蝕的情況類似。圖中的KIH是氫致開(kāi)裂臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，若裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子小于KIH

，裂紋不擴(kuò)展。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

介質(zhì)因素對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響體現(xiàn)在氫致開(kāi)裂的歷程中。在氣體介質(zhì)中，如前所述經(jīng)歷了環(huán)境氫向金屬表面擴(kuò)散、氫于金屬表面發(fā)生物理吸附、化學(xué)吸附、滲入金屬體內(nèi)、向氫脆源擴(kuò)散5個(gè)步驟。在液相介質(zhì)中，至少還要經(jīng)歷水化氫離子的擴(kuò)散、脫水等步驟。氫致開(kāi)裂的裂紋擴(kuò)展速率受這些步驟中最慢的步驟控制，這一步驟就是裂紋擴(kuò)展的控制步驟。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

在不同體系中裂紋擴(kuò)展的控制步驟不同。如回火馬氏體態(tài)的AlSl4340鋼在氫、水中的氫致開(kāi)裂的裂紋擴(kuò)展的控制步驟具有下述的三種情況：

6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆當(dāng)鋼置于壓力為2.66KPa的硫化氫中時(shí)，由da/dt-1/T關(guān)系曲線（圖1線）的直線部分斜率得裂紋擴(kuò)展激活能為4.6KJ/mol，該值與氫在中的擴(kuò)散激活能值相吻合，所以，鋼在壓力為2.66KPa的硫化氫中氫致裂紋擴(kuò)展的控制步驟是氫在鋼中的擴(kuò)散；6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

當(dāng)鋼置于壓力為0.133KPa的硫化氫中時(shí)，無(wú)熱激活現(xiàn)象，da/dt-1/T（圖中2線），所以在這種條件下氫致裂紋擴(kuò)展的控制步驟是氣體氫向鋼表面的擴(kuò)散；

6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆當(dāng)鋼置于壓力為133KPa的氫氣中時(shí)，裂紋擴(kuò)展激活能為14.7KJ/mol（圖中3線），該值與鋼-氫表面化學(xué)反應(yīng)時(shí)的激活能接近，所以在這種條件下氫致裂紋擴(kuò)展的控制步驟為鋼-氫的表面化學(xué)吸附反應(yīng)；6.4.1氫致開(kāi)裂過(guò)程

當(dāng)鋼置于水中時(shí)，裂紋擴(kuò)展激活能為33.5KJ/mol（圖4線），鋼-蒸餾水表面化學(xué)反應(yīng)的激活能與該值十分接近，所以鋼置于水中時(shí)的氫致裂紋擴(kuò)展控制步驟也是化學(xué)吸附反應(yīng)。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.2氫對(duì)鋼力學(xué)性能的影響及氫脆的評(píng)定指標(biāo)

鋼中的氫對(duì)鋼的強(qiáng)度、塑性、斷裂性能等都有影響。但鋼的強(qiáng)度水平不同，氫對(duì)這些性能影響的程度和方式也不同。表6-3匯總了氫對(duì)鋼力學(xué)性能的一般影響。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.2氫對(duì)鋼力學(xué)性能的影響及氫脆的評(píng)定指標(biāo)

氫能降低鋼的強(qiáng)度、塑性等性能指標(biāo)。工程技術(shù)界就是利用氫使這些指標(biāo)的減少程度來(lái)評(píng)定金屬的氫脆程度。常用的評(píng)定指標(biāo)有氫脆指數(shù)（I）或氫脆敏感系數(shù)（α）。I和α分別為：

在研究低強(qiáng)度鋼的氫脆傾向時(shí)，往往在含氫介質(zhì)中以光滑試樣采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)確定斷面收縮率的變化。

在研究高強(qiáng)度的氫脆傾向時(shí)，往往將缺口或預(yù)制裂紋的試樣在恒載荷下浸入含氧介質(zhì)中，確定應(yīng)力-壽命關(guān)系或氫致開(kāi)裂臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIH。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.3

影響鋼氫脆的因素

氫脆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)、力學(xué)過(guò)程，影響因素也很復(fù)雜。這里主要討論溫度、應(yīng)變速率、氫壓、致氫脆介質(zhì)、冶金因素等對(duì)鋼氫脆傾向的影響。

6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.3

影響鋼氫脆的因素

1）外部因素溫度的影響：

氫在鋼表面的吸附作用、氫在鋼中的擴(kuò)散能力和方式、氫在鋼中存在的狀態(tài)及氫致開(kāi)裂的過(guò)程等都對(duì)鋼的氫脆傾向有影響，而這些又都是溫度的函數(shù)，所以溫度是影響氫脆程度的重要因素。實(shí)驗(yàn)表明，氫脆往往發(fā)生在+100℃～-100℃溫度范圍內(nèi)，并且在室溫附近氫脆傾向最大。溫度對(duì)氫脆的下述影響是由于：當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，氫在鐵中的溶解急劇上升，不容易出現(xiàn)氫脆；當(dāng)溫度太低時(shí)，氫和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力太低，氫不容易于陷阱中富集；當(dāng)溫度在±100℃之間時(shí)，氫容易于陷阱中富集，并且在室溫附近表面化學(xué)吸附速率最高.6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.3

影響鋼氫脆的因素

1）外部因素應(yīng)變速率的影響：隨著應(yīng)變速率的增加，第一類氫脆傾向也增加，但是第二類氫脆傾向并不增加。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)應(yīng)變速率低于3*10-2S-1時(shí)，鋼在含氫介質(zhì)中出現(xiàn)第二類氫脆的傾向最大。由于第二類氫脆是在力的作用下氫擴(kuò)散至陷阱中而引起的。在力的作用下，氫于鋼中的擴(kuò)散主要借助于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，顯然只有位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度與氫的運(yùn)動(dòng)速度大致合拍時(shí)，位錯(cuò)才能攜同氫進(jìn)行擴(kuò)散。因