臨氫材料的脆性和適用性

臨氫材料的脆性和適用性材料選擇氫系統(tǒng)通常涉及各種材料，包括金屬和非金屬（如聚合物）。應(yīng)評估所涉及的每種材料（例如，閥座、密封件、粘合劑、潤滑劑、電氣絕緣、彈簧、螺栓和管道）在設(shè)計、操作和緊急情況下的使用情況。在選擇氫氣系統(tǒng)的材料時，應(yīng)需要考慮以下因素：與氫的相容性（包括氫脆、氫侵蝕、滲透和擴散等）；與相鄰材料的兼容性（例如，溫度和壓力變化下的匹配性能，以及對材料形狀和尺寸的影響）；與使用條件的兼容性（例如，溫度和壓力對延展性和膨脹/收縮的影響；與操作條件變化相關(guān)的性能變化）；與周圍環(huán)境或暴露的兼容性（例如腐蝕性環(huán)境、氫氣火災(zāi)或附近材料火災(zāi)的高溫環(huán)境）；失效模式（例如，脆性快速斷裂與延性緩慢分離）；材料的加工性能（例如，加工、焊接和彎曲等）；經(jīng)濟性；可利用性。氫脆氫脆是暴露在氫氣中的金屬的一個嚴(yán)重問題，氫脆會導(dǎo)致金屬機械性能的顯著惡化。氫脆涉及環(huán)境溫度和壓力等大量變量；氫氣的純度、濃度和暴露時間；以及材料中任何裂紋前緣的應(yīng)力狀態(tài)、物理和機械性能、微觀結(jié)構(gòu)、表面狀況和性質(zhì)。表A.1總結(jié)了一些常用金屬的氫脆敏感性。一些常用金屬的氫脆敏感性金屬材料極度脆化嚴(yán)重脆化有點脆可忽略的脆化鋁合金1100X6061-T6X7075-T73XBe-Cu合金25X鎳鋼,270X鋼合金鋼,4140（42CrMo）X碳鋼1020（20#）X1042（正火）（45#）X1042（淬火和回火）（45#）X馬氏體時效鋼，18Ni-250X不銹鋼A286X17-7PHX304ELCX305X310X316X410X440CX718合金X鈦和鈦合金鈦XTi-5A1-2.5SN（ELI）XTi-6Al-4V（退火）XTi-6Al-4V（STA）XISO11114-4描述了允許驗證鋼和金屬材料對氫脆的確切敏感性的測試方法。材料的低溫影響概述用于液氫服務(wù)的結(jié)構(gòu)材料的選擇主要基于材料的機械性能，如屈服強度和抗拉強度、延展性、沖擊強度和缺口不敏感性。材料應(yīng)具有金屬冶金穩(wěn)定性。在20K的液氫溫度下使用的材料的選擇應(yīng)考慮下列材料行為因素：從塑性到脆性的轉(zhuǎn)變是溫度的函數(shù)；塑性變形模式，特別是在非常低的溫度下遇到的某些非常規(guī)模式；冶金不穩(wěn)定性和晶體結(jié)構(gòu)中的相變對力學(xué)和彈性性能的影響。選擇液氫服務(wù)材料的兩個主要考慮因素很低：溫度延展性（低溫脆化）和熱收縮。低溫脆化夏比沖擊試驗的結(jié)果與溫度的關(guān)系，以及材料的屈服強度和抗拉強度與溫度的關(guān)系，可用來指示材料的延性到脆性轉(zhuǎn)變行為。從塑性到脆性轉(zhuǎn)變溫度高于20K的材料不宜在液氫系統(tǒng)中使用。在液氫系統(tǒng)中不宜使用聚合物。熱收縮在液氫溫度下使用材料時有必要考慮材料的熱收縮，從環(huán)境溫度到液氫溫度的溫度變化的熱收縮的典型值如下：鐵基合金中約0.3%；鋁含量略高于0.4%；在許多塑料中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1%。在兩個金屬表面（例如密封件）之間使用塑料材料必須適應(yīng)塑料比金屬多約0.6%的收縮。適用于氫氣環(huán)境的材料在將材料用于氫氣服務(wù)之前，應(yīng)認(rèn)真評估。除非有數(shù)據(jù)表明材料適用于預(yù)期的使用條件，否則不應(yīng)將材料用于氫氣服務(wù)。應(yīng)優(yōu)先選擇已成功用于氫氣的材料。表A.2為一些常用材料在氫氣環(huán)境中的適用性，僅供參考。一些常用材料在氫氣環(huán)境中的適用性材料氣態(tài)氫GH2液態(tài)氫LH2備注金屬鋁及其合金SS受氫脆影響可忽略不計。銅及其合金（如黃銅、青銅和銅鎳）SS受氫脆影響可忽略不計。鑄鐵（灰口鑄鐵、球墨鑄鐵）NSNS相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)不允許。鎳及其合金（如鉻鎳鐵合金和蒙乃爾合金）EE需要評估。易受氫脆影響。鋼，含鎳>7%的奧氏體不銹鋼（如304、304L、308、316、321、347）見A.1見A.1如果在低溫下應(yīng)力高于屈服點，可能會使馬氏體轉(zhuǎn)化。碳鋼（如1020和1042）見A.1NS需要評估。易受氫脆影響。太脆，不適合低溫LH2。低合金鋼（如4140）ENS需要評估。易受氫脆影響。低溫脆性嚴(yán)重。馬氏體不銹鋼（如410和440C）EE需要評估。易發(fā)生氫脆化。鎳鋼（如2.25；3.5；5%和9%鎳）ENS液氫溫度下的延展性損失。鈦合金EE需要評估。易受氫脆影響。非金屬聚四氟乙烯浸漬的石棉（PTFE）aSS避免使用，因為致癌。氯丁橡膠（聚氯丁橡膠）SNS低溫脆性嚴(yán)重。聚酯纖維（滌綸）SNS低溫脆性嚴(yán)重。氟碳橡膠（氟橡膠）aENS低溫脆性嚴(yán)重。聚酯薄膜（聚酯薄膜）aSNS低溫脆性嚴(yán)重。腈（丁腈橡膠）aSNS低溫脆性嚴(yán)重。聚酰胺（尼龍）SNS低溫脆性嚴(yán)重。聚三氟氯乙烯（Kel-F）aSS聚四氟乙烯[聚四氟乙烯（PTFE）]aSS注1:S代表適合使用。注2:NS代表不適合使用。注3:E代表確定材料是否適合使用條件所需的評估。a聚四氟