氢脆

氢脆

中文名称：氢脆 英文名称：hydrogen embrittlement 其他名称：白点

定义1：金属由于吸氢引起韧性或延性下降的现象。 所属学科：船舶工程（一级学科）；船舶腐蚀与防护（二级学科）

定义2：钢材在冶炼、加工和使用中溶解于钢中的原子氢，在重新聚合成分子氢时产生的巨大应力超过钢的强度极限时，可以在钢内产生微裂纹，导致材料的韧性或塑性下降的现象。 所属学科：电力（一级学科）；热工自动化、电厂化学与金属（二级学科）

定义3：金属或合金因吸收氢而引起的韧性或延性降低的过程。 所属学科：机械工程（一级学科）；腐蚀与保护（二级学科）；腐蚀类型（三级学科）

氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。氢脆只可防，不可治。氢脆一经产生，就消除不了。在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部的微量氢(10—6量级)在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到200℃以上数小时，可使内氢减少)恢复钢材的性能。因此内氢脆是可逆的。 热处理不适用的情况

热处理的方法是将工件加热至某一温度，保温一段时间，缓冷，使氢随溶解度逐渐变小，逐渐析出。但加热会破坏镀层，因此热处理的方法对于经过电镀的工件并不适用。

如何防治

首先，尽量缩短酸洗时间；其次加缓蚀剂，减少产氢量。

压力容器的氢脆(或称氢损伤)是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物还原。造成压力容器氢脆破坏的氢，可以是设备中原来就存在的，例如，炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被还原而生成氢，并溶解在液体金属中。或设备在电镀或酸洗时，钢表面被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢中；也可以是使用后由介质中吸收进入的，例如在石油、化工容器中，就有许多介质中含氢或含混有硫化氢的杂质。钢发

生氢脆的特征主要表现在微观组织上。它的腐蚀面常可见到钢的脱碳铁素体，氢脆层有沿着晶界扩展的腐蚀裂纹。腐蚀特别严重的容器，宏观上可以发现氢脆所产生的鼓包。介质中含氢(或硫化氢)的容器是否会发生氢脆，主要决定于操作温度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。温度越高、氢分压越高，碳钢的氢脆层就越深，发生氢脆破裂的时间也越短，其中温度尤其是重要因素。钢的含碳量越高，在相同的温度和压力条件下，氢脆的倾向越严重。钢中添有铬、钛、钒等元素，可以阻止氢脆的产生。 出现氢脆的工件通过除氢处理（如加热等）也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。如电镀件的去氢都在200～240度的温度下，加热2～4小时可将绝大部分氢去除。

氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300℃和压力高于30MPa时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高温条件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置；石油化工生产过程中的甲醇合成塔等。

二：氢脆-钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。主要发生在碳钢和低合金钢中。

紧固件避免和消除氢脆的措施

(1)、减少金属中渗氢的数量，必须尽量减少高强度/高硬度钢制紧固件的酸洗，因为酸洗可加剧氢脆。在除锈和氧化皮时，尽量采用喷砂抛丸的方法，若洛氏硬度等于或大于HRC 32的紧固件进行酸洗时，必须在制定酸洗工艺时确保零件在酸中浸泡的时间最长不超过10分钟。并应尽量降低酸液的浓度，并保证零件在酸中浸泡的时间不超过10分钟；在除油时，采用清洗剂或溶剂除油等化学除油方式，渗氢量较少，若采用电化学除油，先阴极后阳极，高强度零件不允许用阴极电解除油；在热处理时，严格控制甲醇和丙烷的滴注量；在电镀时，碱性镀液或高电流效率的镀液渗氢量较少。 (2)、采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层

一般认为，在电镀Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb时，渗入钢件的氢容易残留下来，而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金属镀层具有低氢扩散性和低氢溶解度，渗氢较少。在满足产品技术条件要求的情况下，可采用不会造成渗氢的涂层，如机械镀锌或无铬锌铝涂层，不会发生氢脆，耐蚀性高，附着力好，且比电镀环保。

（3）镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患若零件经淬火、焊接等工序后内部残留应力较大，镀前应进行回火处理，回火消除应力实际上可以减少零件内的陷阱数量，从而减轻发生氢脆的隐患。

⑷、控制镀层厚度，由于镀层覆盖在紧固件表面，镀层在一定程度上会起到氢扩散屏障的作用，这将阻碍氢向紧固件外部的扩散。当镀层厚度超过2.5μm时，氢从紧固件中扩散出去就非常困难了。因此硬度＜32HRC的紧固件，镀层厚度可以要求在12μm；硬度≥32HRC的高强度螺栓，镀层厚度应控制在8μmmax。这就要求在产品设计时，必须考虑到高强度螺栓的氢脆风险，合理选择镀层种类和镀层厚度.

金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂，统称为氢脆断裂或氢致开裂。

一 氢脆的类型及特征

（一）内部氢脆与环境氢脆

氢脆断裂在工程上是一种比较普遍的现象，但由于材料性能、加工工艺、服役环境、受力状态不同，各种现象有较大差异。

根据引起氢脆的氢之来源不同，氢脆可分成两大类：一类为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；第二类氢脆称为环境氢脆，它是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。

内部氢脆和环境氢脆的区别，在于氢的来源不同，而它们的脆化本质是否相同，目前尚未定论。

一般认为，内部氢脆和环境氢脆在微观范围（原子尺度范围内），其本质是相同的，都是由于氢引起的材料脆化，但就宏观范围而言，则有差别。因为它们所包含的某些过程（如氢的吸收）、氢和金属的相互作用、应力状态以及温度，微观结构的影响等均不相同。 （二）氢脆断口特征

内部氢脆断口往往出现“白点”，如图6-7所示。白点又有两种类型：一种是在钢件中观察到纵向发裂，在其断口上则呈现白点。这类白点多呈圆形或椭圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，所以又叫做“雪斑”或发裂白点，如图6-7a所示。这种白点实际上就是一种内部微细裂纹，它是由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除这类白点。

另一种白点呈鱼眼型，它往往是某些以材料内部的宏观缺陷如气孔、夹渣等为核心的银白色斑点，其形状多数为圆形或椭圆形。圆白点的大小往往同核心的大小有关，即核心愈大，白点也愈大，白点区齐平而略为下凹，图6-7b即为以焊接缺陷（气孔）作为核心的鱼眼型白点。

产生鱼眼白点，除氢和缺陷因素外，还必须有一定的条件，即应有一定的塑性变形量和一定的形变速度。如果经过去氢处理或消除鱼眼核心��缺陷，白点就不能形成；小于一定的塑性变形量，或用高的应变速率（如冲击），都不会产生这类白点，所以它是可以消除的，故又叫可逆氢脆。这类氢脆一般不损害材料的强度，只降低塑性。

内部氢脆断口的微观形态，往往是穿晶解理型或准解理型花样。在白点区是穿晶解理断裂，而白点外则为微孔聚集型断裂。

二 氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在：

(1)实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速,则为应力腐蚀,而当施加一小阴极电流,使开裂加速者则为氢脆。

(2)在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小，这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。

(3)断裂的主裂纹没有分枝的情况，这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。氢脆的断裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者从一种裂纹扩展型式转变成另一种型式，但就具体的金属-环境组合来说，氢脆有特定的裂纹形态。例如，在淬火回火钢中氢脆常沿着原奥氏体晶界扩展；而在钛合金中容易形成氢化物，裂纹是沿着氢化物与基体金属的界面上发展。 (4)氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。 (5)大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速

率。形变速度愈大，氢脆的敏感性愈小，当形变速率大于某一临界值后，则氢脆完全消失。氢脆对材料的屈服强度影响较小，但对断面收缩率则影响较大。 三 氢脆机理及其防止办法

氢脆是氢原子和位错交互作用的结果。氢脆的位错理论能成功地解释以下几个重要实验结果：

(1)氢脆对温度和形变速率的依赖关系。

氢脆只发生在一定的温度范围和慢的形变速率情况下。当温度太低时，氢原子的扩散速率太慢，能与位错结合形成气团的机会甚少；反之，当温度太高时，氢原子扩散速率太快，热激活作用很强，氢原子很难固定在位错下方，位错能自由运动，因此，也不易产生氢脆。对钢来说，对氢脆最敏感的温度就在室温附近。同样，可以理解形变速率的影响。当形变速率太高时，位错运动太快，氢原子的扩散跟不上位错的运动，因而显示不出脆性。 (2)氢脆的裂纹扩展特性。 高强度钢产生的氢脆，其裂纹扩展是跳跃式前进的。先是在裂纹尖端不远的地方出现一个细小的裂纹，之后这个裂纹在某个时刻突然和原有裂纹连接起来。新裂纹形核地点一般是在裂纹前沿的塑性区与弹性区的交界上。氢要扩散到这里并达到一临界浓度时才能形成裂纹，所需的时间就是裂纹的孕育期。 (3)氢脆氢纹扩展第二阶段的特性。

在dt/da～K的关系中，氢脆裂纹扩展出现一水平台，是谓裂纹扩展第二阶段，这一阶段裂纹扩展速率恒定，与应力强度因子无关，而与温度有关，说明dt/da在这一阶段主要决定于化学因素，是一典型的热激活过程。氢原子扩散到裂纹尖端并保持某一浓度是裂纹扩展的决定性因素。金属材料在氢中裂纹扩展速率主要决定于氢原子在基体中的扩散速率。 减少氢脆的办法大致有以下几个方面：

对于主要是内部氢脆产生的，要多从严格执行工艺规定着手。对于环境氢脆，首要的一条是尽量不用高强度材料，村料强度越高，对氢脆越敏感转载请注明出自( 六西格玛品质网 http://www.6sq.net ),本贴地址:http://www.6sq.net/thread-170746-1-1.html

氢脆是指由于氢原子在金属组织中夹杂而导致金属变脆的现象。钢铁件在电镀加工过程中出现氢脆的情况较多。这主要是在进行酸洗、阴极除油、电镀等过程中，都有还原态氢原子生成，由于氢原子的半径最小，可以自由进入金属结晶的间隙占据一定的晶位，使晶格变形，带来内应力或使基体或镀层局部硬度增加，造成脆性，这就是常说的氢脆。进入基体和镀层间的氢还会使镀层起泡。

氢脆对高强度钢和弹性制件的危害特别大，在人们没有认识氢脆的危害以前，曾经因为氢脆的实际存在而造成过许多严重的质量事故，造成严重的设备损坏和人员伤亡事故。因此在认识到氢脆的严重危害性以后，防止氢脆就成为电镀等有渗氢可能的加工工艺的一项重要指标。

为了防止氢脆，在酸洗液中要加入一些缓蚀剂，抑制氢的析出。电解除油要采用阳极电解。电镀中也要采用较大电流密度和采用电流效率高的镀种等。同时，对于氢脆敏感的制件，在电镀完成后，要在恒温箱中200℃去氢2h，以除去氢脆的影响。对要求很高 的产品可以进行真空除氢。