第七章金屬的氫損傷

氫損傷是指與氫的行為有關的金屬損傷。金屬從冶煉起，經鑄、軋、鍛、焊、熱處理、機加工直到使用的過程中，都難免程度不同地同含氫氣氛，含氫化合物（如H2O、H2S、各種酸溶液）乃至純氫發生接觸。于是在有些場合下就會發生金屬－氫－力三者先后或共同作用而導致金屬破壞。在航空、航天，交通運輸，尤其在化工、石油等部門都經常發生氫致損傷并都有由此導致的事故。第一節氫損傷的種類

氫損傷，按氫導致材料性能退化來看，可分為七大類九種。它們在發生場合、形成機理和產生后果等方面互有區別。（一）氫脆包括氫應力開裂、氫環境脆化和氫致拉伸延性喪失三種。（二）氫化物氫脆這是指Ti、Zr等金屬內部含氫過飽和，沉淀析出氫化物而脆化。

（三）氫鼓泡發生0～150℃。當鋼因腐蝕或電解、電鍍而氫活度很高，以致在內部產生的氫氣壓很高，將金屬膨脹起來，成為氣泡。（四）氫腐蝕發生的溫度較氫鼓泡為高，在205℃-595℃。其本質是氫與鋼中的碳結合生成CH4而鼓泡。由于其受損的外形與氫鼓泡相似，故早期常將這兩者混為一談。

（五）發紋或白點指通常發生于大型鋼鍛件中的一種缺陷。一般認為煉鋼或其它工藝加熱時溶入的氫在鋼冷卻時于空隙、微縮孔等缺陷處沉淀析出。過量的氫與鍛件冷卻的內應力共向作用導致內部微裂，即為白點。（六）流變特性退化當鋼鐵或鎳基合金含有內氫或處于氫環境中，其流變強度下降，特別表現在蠕變溫度下（T＞0.4Tm）的蠕變速率增大。

（七）顯微穿孔在氣態氫壓特別高如2000大氣壓（196MPa）以上時（20～100℃），鋼中出現特別小的發紋以致氣體透出。在上述各種氫損傷小，常見且研究較多的是發紋或白點、氫應力開裂、氫腐蝕和氫鼓泡。第二節氫的來源及其在金屬中的存在形態

一、內氫的來源（一）當冶煉過程和熔化金屬時，爐氣中可能由于爐料中的有機物、水份分解而含有氫。（二）金屬在高溫的加熱（如熱處理和鍛造時）也能吸氫。（三）焊接時，尤其是電弧焊時，電弧區溫度很高，又有電場存在，使含氫的物質如汗、油污等有機物及水、銹、空氣中的潮氣等，均能分解為氫的原子或質子。

（四）金屬受到腐蝕（例如酸洗）時，

M（固態金屬原子）→Mn+＋ne-

Mn+進入溶液中，ne-留在金屬上。此時溶液中的H+到達金屬表面，H+＋e-→H。（五）電鍍時，被鍍零件作為陰極，帶有來自電源的負電荷。電鍍液中的正離子Mn+來到陰極發生中和：

Mn+＋ne-→M與此同時，H+＋e-→H，也會進入金屬之中。

二、環境氫三、氫在金屬中的存在形態氫在鐵、鈷、鎳中主要是以金屬鍵同基體作用，即固溶于其中。此時氫原子就將電子交給了基體金屬共用，本身成為H+即為質子態。在Ti、Zr等金屬中，H與基體元素易結合成化合物MxHy，較穩定地存在。在多晶體工程合金如鋼鐵中，除隨機分布的固溶H之處，H還會同其中的各種合金元素溶質原子、晶體缺陷、各種化合物相發生程度不同的結合。

四、氫的擴散氫氣H2和化合態（CH4、氫同金屬的穩定化合物）的氫不能在金屬中擴散，除非先發生分解。溶解態的氫（即屏蔽的質子）能在金屬中較快地擴散。陷井中的氫要獲得足以克服勢陷井的能量后，才能與其它H同樣地參予擴散過程。第三節鋼中氫損傷的機理

氫對鋼的損傷機理，大體說來不外乎三種方式：一是氫作為破壞力的來源之一，主要指造成內壓或內應力；二是氫使材料弱化、脆化，這里是指固溶氫使金屬的表面能、結合能下降以及形成脆弱的氫化物MxHy，第三個方而則是氫參與并促進鋼的塑性變形（氫致塑變）和斷裂。第四節影響氫損傷的因素及相應的控制措施

一、控制內氫的來源及濃度（一）采用低氫的煉鋼法，（二）焊接時控制氫的措施（三）正確地進行酸洗：二、在環境氫損傷情況下，設法阻礙氫進入鋼中三、在設計、制造，選材方面第五節氫損傷的斷裂和斷口分析

一、宏觀分析

不同類型的氫損傷導致材質劣化的機理不同，所形成的斷裂和裂口形式也就不同。氫化物脆性是Ti、Zr等的氫化物沿晶界析出所致。當晶粒粗大和含氫量高時，金屬材料整體脆化。在快速載荷下（如沖擊）形成全面的脆性斷口。在氫含量較低、晶粒細小的情況下，則表現出相當的塑性。

鼓泡多數都平行于板面（圖7-5）。一般說來，在正常周期性檢查時，可以在發生斷裂事故之前發現，如圖7-4。

氫鼓泡和氫腐蝕使材料的連續性、致密性破壞。在發生斷裂的嚴重條件下，雖然斷裂的宏觀塑性比原材料差，但視斷裂載荷不同，在細觀條件下仍可有明顯的塑性。區分氫鼓泡和氫腐蝕之依據是工作溫度、氫的來源及金屬的脫碳程度。

延遲氫脆裂紋擴展到瞬斷截面時，形變速率增大，氫的脆化作用消失，其斷裂形式就同有裂紋的無氫試樣單調一次加載快速斷裂相同，決定于材料本性、零件尺寸和載荷情況。所以我們討論延遲氫脆斷口的重點是起裂點及慢速擴展區。可逆延遲氫脆斷裂，在宏觀上是很脆的，看不出塑性變形。

延遲氫脆大多發生在強度較高的鋼材，如40CrNiMo之類零件電鍍后。由于斷裂在微觀上可能是沿晶，也可能是穿晶的，故宏觀上可能屬粒狀斷口；也可能較平坦，顯示出細結晶狀。其形貌受材料本性（強度）影響，可有明顯的放射花樣。圖7-17為4043鋼的構件和缺口圓試樣的宏觀斷口。

單純的氫脆斷口上應是干凈的，沒有氧化膜、腐蝕產物、也沒有油污。故依此可以在宏觀上同應力腐蝕、淬火裂紋相區別。當然這只限于斷裂后斷口未受額外的污染或腐蝕的情況。而這種情況實際上并不多。

二、微觀分析

作為裂紋（未完成的斷裂）分析，裂紋的金相形貌觀察可以發現裂紋擴展與金屬組織的關系。圖7－18是50BA鋼制槍拴經酸洗及校正變形后在應力集中處發生的延遲氫脆裂紋的金相形貌，是典型的沿晶開裂。

這種開裂的途徑，與裂紋尖端的應力強度因子KI有關。如圖7－19所示，低KI時，氫脆的典型特征更明顯，是沿晶的；高KI時，傾向于微孔聚集的過載斷裂，是穿晶的。在KI中等大小時是一種穿晶的準解理斷裂。

與此相對應端口形貌也有如下幾種：沿晶、氫脆準解理和韌窩斷口。如圖7－20為300M鋼淬火（σｂ=1862～2068MPa）后鍍鎘再作持久承載時斷裂的斷口,為沿晶開裂。以后的擴展斷口為韌窩型。

圖7－21是65Mn鋼處理到HRC43的試片斷口；未經鍍鋅的一片只能在加大載荷條件下過載斷裂，為韌窩斷口；而鍍鋅的一片含氫量高，發生延遲氫脆，沿晶斷口上還能看到二次裂紋。

延遲氫脆的這類沿晶斷口和應力腐蝕及沿晶析出物脆化不同，它沒有腐蝕產物，看不到脆性第二相，而是在開裂晶界面上有微孔形小窩及變形的條痕，有的的象發紋，有的象雞爪。

這種微觀的塑性變形痕跡是氫