氢脆理论分析

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1、HIC的类型1、氢气压力引起的开裂溶解在材料中的H在某些缺陷部位析出气态氢H2（或与氢有关的其它气体），当H2的压力大于材料的屈服强度时产生局部塑性变形，当H2的压力大于原子间结合力时就会产生局部开裂。某些钢材在表面酸洗后能看到象头发丝一样的裂纹，在断口上则观察到银白色椭圆形斑点，称为白点。白点的形成是氢气压力造成的。钢的化学成分和组织结构对白点形成有很大影响，奥氏体钢对白点不敏感；合金结构钢和合金工具钢中容易形成白点。钢中存在内应力时会加剧白点倾向。焊接件冷却后有时也能观察到氢致裂纹。焊接是局

2、部冶炼过程，潮湿的焊条及大气中的水分会促进氢进入焊接熔池，随后冷却时可能在焊肉中析出气态氢，导致微裂纹。焊接前烘烤焊条就是为了防止氢致裂纹。2、氢化物脆化许多金属（如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、稀土等）能够形成稳定的氢化物。氢化物属于一种脆性相，金属中析出较多的氢化物会导致韧性降低，引起脆化。3、氢致滞后断裂材料受到载荷作用时，原子氢H向拉应力高的部位扩散形成H富集区。当H的富集达到临界值时就引起氢致裂纹形核和扩展，导致断裂。由于H的扩散需要一定的时间，加载后要经过一定的时间才断裂，所以称

3、为氢致滞后断裂。氢致滞后断裂的外应力低于正常的抗拉强度，裂纹试件中外加应力场强度因子也小于断裂韧度。氢致滞后断裂是可逆的，除去材料中的氢就不会发生滞后断裂。即使在均匀的单向外加应力下，材料中的夹杂和第二相等结构不均匀处也会产生应力集中，导致氢的富集。设应力集中系数为α，则σh=ασ，应力集中处的氢浓度为：式中，CH－合金中的平均氢浓度；VH－氢在该合金中的偏摩尔体积（恒温、恒压下加入1摩尔氢所引起的金属体积的变化）。若氢的浓度达到临界值Cth时断裂，对应的外应力即为氢致滞后断裂的门槛应力σth，

4、即：•若σ＜σth，即使经过长时间扩散也达不到临界氢浓度，不会发生氢致滞后断裂；•若σ＞σth，经过时间tf后，发生断裂，且应力越大，滞后断裂时间越短。氢脆的特征1、延滞断裂不管是原来钢中含有一定量的氢或是后来由于环境提供的氢，其氢含量并未超过氢的溶解度极限，即氢处于固溶状态时，那么在较低的静载荷作用下，钢将发生低速的应变，最后发生脆断。这种钢在低应力作用后，经过一段孕育期，在内部产生裂纹，这种裂纹在应力作用下进行亚临界扩展，当达到临界裂纹长度时，发生突然脆性断裂。这种断裂称为延滞断裂，如右图所

5、示。右图所示的延滞断裂应力-时间曲线的形状和含义与一般疲劳的S-N曲线相似，故有时也称为静疲劳曲线。曲线上存在一个上限应力，即正常拉伸速度下得到的断裂应力。若应力超过此上限值，钢立即产生断裂；曲线上也存在一个下限应力，即应力低于此值后，加载时间再长也不发生断裂，该值称为延滞断裂（氢脆）的临界应力，以σHC表示。；在上、下限应力之间，裂纹的孕育期和扩展速度基本相同。2、充氢高强度钢在静载作用下延滞断裂应力-时间曲线2、断裂形态1）宏观特征钢出现氢脆时，由于塑性下降，故宏观断口比较齐平，裂纹源大多在

6、表皮下三轴拉应力最大处。对于缺口试样，缺口半径大时，断裂源远离缺口，半径小时，则靠近缺口，如右图所示。充氢的缺口拉伸试样受静拉力后的纵剖面2）微观特征钢的氢脆断口没有固定的微观特征，它与裂纹前沿的应力场强度因子K及充氢浓度CH有关。下图示意地绘出了含氢高强度钢在不同K值下的断裂方式，当K较大时，可以韧窝形式开裂；当K降低时，转变为解理或准解理断裂；当K较小时，才会出现沿晶断裂。含氢高强度钢在不同应力场强度因子K下的断裂方式(a)高K值的韧窝断裂；(b)中K值的解理或准解理断裂；(c)低K值的沿晶

7、断裂一般来说，在相同K值下，充氢浓度愈高，倾向于向解理及沿晶断裂方式过渡。此外，氢脆断口的一个重要特征是很少有沿晶的二次裂纹，垂直于主裂纹面作金相检查时，主裂纹两侧一般没有分叉现象。HIC机制氢导致氢脆必须有三个步骤：一是氢的进入；二是氢在金属中的迁移；三是氢的局部化。因此氢脆的过程可示意地归结于下图中。资料指出[1]胡世炎.机械零件失效分析手册[M].成都:四川科技出版社,1987.进入金属内部的氢以固溶氢的形式存在,而不再进行任何化学反应,少量的氢就可引起氢脆,对一般中强度钢w(H)3×10

8、-6左右、高强度钢w(H)大于1×10-6就足以导致氢脆三种典型的HIC机制•内压模型—氢在金属中以分子态析出，产生的压力使金属在内部缺陷处发生弱化导致氢脆。该模型在解释某些合金钢中的白点和焊接冷裂等现象较成功，但不能解释氢致塑性损失和氢致滞后断裂的可逆性。•表面吸附模型—氢在裂纹面上吸附使表面能降低，从而降低了裂纹扩展时的阻力。该模型对延性很好的金属不适用，因为在延性金属中，裂纹扩展的阻力主要来自于裂纹尖端塑性区的塑性变形功，表面能的贡献很少。•结合键模型—氢溶入金属晶格后使原子间结合力降低，