1、12.4環(huán)境斷裂氫脆材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的斷裂，統(tǒng)稱為氫脆斷裂或氫致開裂，簡(jiǎn)稱氫脆。氫脆主要發(fā)生在金屬材料構(gòu)件中。一、氫脆的類型及特征1、氫壓裂紋2、氫致化學(xué)變化導(dǎo)致的氫脆氫腐蝕3、氫致相變導(dǎo)致的氫脆4、可逆氫脆5、氫致滯后斷裂6、氫致斷裂斷口形貌二、氫脆機(jī)理1、氫壓理論2、氫降低鍵合力(弱鍵)理論3、氫降低表面能理論4、氫致開裂新機(jī)理一、氫脆的類型及特征1、氫壓裂紋在材料中某些缺陷位置，H能復(fù)合成H2，室溫時(shí)它是不可逆反應(yīng)， 即H2不會(huì)再分解成H。隨著進(jìn)入該缺陷的氫濃度的增加，復(fù)合后H2的壓力也增大。當(dāng)氫壓大于屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，如缺陷在試 樣表層，則會(huì)使表層鼓起，形

2、成氫氣泡。當(dāng)氫壓等于原于鍵合力時(shí)就會(huì) 產(chǎn)生微裂紋，稱為氫壓裂紋。氫壓裂紋包括鋼中白點(diǎn)、H2S浸泡裂紋、焊接冷裂紋以及高逸度充 氫時(shí)產(chǎn)生的微裂紋等。（1） 鋼中的白點(diǎn)鋼材剖面酸洗后有時(shí)可以看到像頭發(fā)絲一樣的細(xì)長(zhǎng)裂紋，其寬度一般約1mm，故也常稱為“發(fā)裂”。如沿著這些裂紋把試樣打斷，在斷口上可觀察到具有銀白色光澤的橢圓形斑點(diǎn)，故稱為“白點(diǎn)”。(2) H2S誘發(fā)裂紋碳鋼或低合金管線鋼在H2S溶液中浸泡時(shí)，即使不存在外應(yīng)力，試樣內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生微裂紋，裂紋呈臺(tái)階狀。如裂紋 處在試樣表面附近，則容易在表面引起鼓泡。H2S在鋼的界面上反應(yīng)生成H，它進(jìn)入試樣后富集在夾雜物周圍，復(fù)合成H2，產(chǎn)生氫壓，當(dāng)分子氫壓大

3、于臨界值時(shí) 就會(huì)產(chǎn)生裂紋。(3) 焊接冷裂紋焊接過(guò)程是個(gè)局部冶煉過(guò)程，焊條及大氣中的水分會(huì)進(jìn)入熔池變成H，當(dāng)進(jìn)入的氫量較高時(shí)，在焊后的冷卻過(guò)程中 就有可能產(chǎn)生氫壓微裂紋(類似于鋼中白點(diǎn))。采用低氫焊條，焊前焊條和工件烘烤，焊后工件緩冷等措施就可避免焊接冷裂紋。(4) 充氫(或酸洗)過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋在酸洗或電解充氫過(guò)程中也有可能產(chǎn)生氫壓裂紋。電解充氫時(shí)出現(xiàn)的不可逆氫損傷(氫鼓泡或裂紋)主要是 充氫逸度過(guò)高引起的。降低充氫電流密度，不加毒化劑(如As2O3，CS2等)或用熔鹽充氫代替溶液充氫，就可避免充氫過(guò)程中出現(xiàn)不可逆氫 損傷。2、氫致化學(xué)變化導(dǎo)致的氫脆氫腐蝕材料在高溫高壓氫環(huán)境下使用較長(zhǎng)時(shí)間

4、后，有時(shí)在晶界附近能產(chǎn)生很多氣泡或裂紋，從而引起構(gòu)件的失效，這種不 可逆損傷稱為氫腐蝕。原因：在高溫高壓下H進(jìn)入鋼中后與碳化物反應(yīng)生成甲烷。形成的CH4分子不能從鋼中擴(kuò)散出來(lái)，就在晶界夾雜物處形成氣泡，并有很大壓力。隨著CH4的不斷形成，氣泡不 斷長(zhǎng)大，當(dāng)氣泡中CH4的壓力大于材料在該溫度下的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)使氣泡轉(zhuǎn)化成裂紋。在鋼中加入Cr，Mo，Ti，V，Nb等碳化物形成元素， 形成穩(wěn)定的合金碳化物，可以大大減小氫腐蝕傾向。3、氫致相變導(dǎo)致的氫脆(1) 氫化物析出導(dǎo)致氫脆很多金屬或合金(如Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta， Re等)能形成穩(wěn)定的氫化物，氫化物是一種脆性中間相，一旦有氫化物析出，材料

5、的塑性和韌性就會(huì)下降，即氫化物析出導(dǎo)致材料變脆。這是一種氫致相變引起的氫脆。(2) 氫致馬氏體相變不穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼在電解充氫時(shí)會(huì)發(fā)生氫致馬氏體相變，形成e或a馬氏體，從而降低材料的塑性和韌性。氫致馬氏體相變的本質(zhì)和冷加工誘發(fā)馬氏體相變相同 。上述氫損傷(氫壓裂紋，氫腐蝕，氫致相變)是不可逆的。均為不可逆氫脆。4、可逆氫脆固溶的氫在拉伸過(guò)程中通過(guò)擴(kuò)散和富集導(dǎo)致材料塑性下降稱為可逆氫脆。如果在拉伸前或屈服前把試樣中的氫除去(室溫放置或中溫加熱)，則可使塑性恢復(fù)。即使初始?xì)浜亢艿?或介質(zhì)致氫能力很弱)，通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散，氫能逐漸富集，從而也會(huì)引起塑性損失。5、氫致滯后斷裂在恒載荷(或恒位移)條

6、件下，原子氫通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散、富集，到臨界值后就引起氫致裂紋形核、擴(kuò)展，從而導(dǎo)致低應(yīng)力(外加應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度；對(duì)預(yù)裂紋試樣， 外加應(yīng)力強(qiáng)度因子KIKIC)斷裂的現(xiàn)象稱為氫致滯后斷裂。6、氫致斷裂斷口形貌氫致斷裂可能獲得韌性斷口(韌窩)，也可能獲得脆性斷口(沿晶，解理或準(zhǔn)解理)。如果氫致 斷裂是韌窩斷口，則稱為氫致韌斷。氫致斷口形貌和材料本身的成分和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，除此之外影響最大的是氫濃度及開裂時(shí)外 加應(yīng)力(或外加KI)的大小。一般來(lái)說(shuō)，隨強(qiáng)度升高，氫致斷口形貌由韌窩變?yōu)榻饫?沿準(zhǔn)解理)或沿晶。隨CH升高，斷口 形貌也由韌窩變?yōu)榻饫砘蜓鼐?。二、氫脆機(jī)理1、氫壓理論在H2氣環(huán)境中，H2分解為H原子

7、進(jìn)入金屬中，其濃度CH和 P 成正比。反過(guò)來(lái)，如果溶解在金屬中的H進(jìn)入某些特殊區(qū)域(如夾雜或第二相界面、空C2位團(tuán))就會(huì)復(fù)合成H2，即2H H2，這時(shí)該處的H2氣壓力P就和H 成正比，但由于H2不是理想氣團(tuán)，壓CH力較高時(shí)要用逸度f(wàn)代替，則有：f= (CH/ B)2=2exp(- 2DH/ RT )部區(qū)城CH很高，按上式算出的逸度換算成壓力后等于原子鍵合力th時(shí)，就會(huì)使局部地區(qū)的原 于鍵斷裂而形成微裂紋。氫壓理論可以很好地解釋各種氫壓裂紋，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)生的鼓泡和裂紋的形成機(jī)理。2、氫降低鍵合力(弱鍵)理論氫降低原子鍵合力理論認(rèn)為： 部應(yīng)力集中yy等于原子

8、鍵合力th時(shí)，原于鍵就破裂，從而微裂紋形核。固溶的原于氫能使原于鍵合力從th降為th(H)。這樣， 使氫致微裂紋形核所需的局部應(yīng)力集中將從yyth降低為yy(H)th(H)。這樣一來(lái)就會(huì)使造成局部應(yīng)力集中所需的臨界外加應(yīng)力從c降為c(H)，或使臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子從KIC 降為KIH。因此，裂紋更容易形成。問(wèn)題：(1) 用什么實(shí)驗(yàn)?zāi)苤苯幼C明氫能降低原于鍵合力?(2) 鍵合力隨氫濃度下降的定量表達(dá)式；(3) 氫降低鍵合力和氫促進(jìn)局部塑性變形是否有關(guān)系。3、氫降低表面能理論氫降低g表面能g理論認(rèn)為：氫吸附在表面就會(huì)使表面能由降為(H)。根據(jù)Griffith理論，斷g裂應(yīng)力s或斷裂韌性KIC和g成正比，因而當(dāng)氫使下降，必然使c降為c(H)，或使KIC降為KIH，從而增大裂紋形成傾向。存在的問(wèn)題：表面吸附其它氣體(如H2、O2、SO2、CO、