氢脆机理、检测与防护

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1、武汉理工大学材料质量分析与失效分析（翻译及论文）氢脆的机理、检测与防护学院（系）：材料学院专业班级：材科0803班学生姓名：刘笑语指导教师：孙伟氢脆的机理、检测与防护Themechanismofhydrogenembrittlement,detectionandprotection材科0803刘笑语摘要：本文介绍了氢脆的基本概念，氢脆现象的机理以及避免和消除氢脆的措施和其中应该注意的问题。同时本文还介绍了氢脆和应力腐蚀的区别。关键词：氢脆机理检测防护措施1.前言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，

2、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。2.氢脆的类型及特征2.1氢在金属中的存在形式氢脆断裂（氢脆）：由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象。1、氢的来源可分为内含的和外来的两种。前者是指金属在熔炼过程中及随后的加工制造过程（如焊接、酸洗、电镀等）中吸收的氢

3、；后者是金属机件在服役时环境介质中含有的氢。2、氢在金属中的存在形式①以间隙原子状态固溶在金属中，对大多数工业合金，氢的溶解度随温度的降低而降低。②氢在金属中可通过扩散聚集在较大缺陷（如空洞、气泡、裂纹）处，以氢分子状态存在。③还可能与一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物。④与金属中的第二相作用生成气体产物，如钢中的氢可以和渗碳体中的碳原子作用形成甲烷等。2.2氢脆类型及其特征1、氢蚀是由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。如碳钢在300～500℃的高压氢气氛中工作时，由于氢与钢中的碳化物作用生成高压

4、的CH4气泡，当气泡在晶界上达到一定密度后，金属的塑性将大幅降低。这种氢脆现象的断裂源产生在与高温、高压氢气相接触的部位。碳钢在低于220℃时，不产生氢脆。氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。微观断口上晶界明显加宽，呈沿晶断裂。2、白点（发裂、发纹）当钢中含有过量的氢时，随着温度的降低，氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。这种微裂纹的端面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，故称白点。一般出现在大锻件中。采用精炼除气、锻后缓冷或等稳退火以

5、及在钢中加入稀土或其它微量元素等方法，使白点减弱或消除。3.氢化物致脆对于Ⅳ族或Ⅴ族金属（如纯钛、α－钛合金。钒、锆、铌及其合金）。由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成氢化物，使金属脆化。4、氢致延滞断裂①定义：高强度钢或α＋β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢（原来存在的或从环境介质中吸收的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的氢致延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。目前工程上所说的氢脆大多数是指这类氢脆。②特点：a只在一定温度范围内出

6、现，如高强度钢多出现在－100～150℃之间，而以室温下最敏感。B提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低。因此只有缓慢加载试验时才能显示出这类脆性。C显著降低材料的断后伸长率，但氢含量降低致一定数值后，断后伸长率不再变化，而断面收缩率则随氢含量增加而降低，且材料强度越高，下降越剧烈。D高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性。即钢材经过低应力慢速应变后，因氢脆导致塑性降低，如果卸除载荷，停留一段时间再进行高速加载，则钢的塑性可以得到恢复，氢脆现象消除。①断口：宏观断口与一般脆性断口相似。其微观形貌大多为沿原奥氏体晶界的沿晶断裂，且晶界上常有许多撕裂棱。原因：

7、除力学因素外，可能更主要的是与杂质偏聚的晶界吸附了较多的氢，使晶界强度削弱有关。3.氢脆的机理以及应力腐蚀3.1氢脆的机理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

8、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