氢脆讲义
涨姿势！一文彻底搞清楚什么是氢脆？
涨姿势！一文彻底搞清楚什么是氢脆？随着工程机械、汽车等行业的快速发展，为降低成本、增“强”减重，以实现节能降耗的目标，国内外广泛探索工程机械及汽车的轻量化方法。
要最大限度地减轻设备质量，一个有效的途径就是提高钢的强度级别。
近年来，工程机械用钢从500~600MPa级快速上升至800MPa、1000MPa，甚至1500MPa。
然而，随着强度提高，钢的延迟断裂敏感性也随之增大，氢致延迟断裂敏感性高已经成为制约高强度级别钢种推广应用的一个重要因素。
高强钢的氢致延迟断裂现象延迟断裂是材料在静止应力的作用下，经过一定时间后突然发生脆性破坏的一种现象，它是材料—环境—应力之间相互作用的结果，是氢致材质恶化的一种形态。
延迟断裂现象的产生是由于材料内部的氢向应力集中的部位扩散聚集，这些应力集中的部位往往缺陷较多（原子点阵错位、空穴等），氢扩散到这些缺陷处，氢离子合成氢原子，氢原子进一步合成氢分子，将产生巨大的压力。
这个压力与材料内部的残余应力以及材料服役状态下所承受的外加应力，形成一个合力，当这个合力超过材料的屈服强度时，就会导致断裂的发生。
由于延迟断裂常常在材料所承受的外加应力水平显著低于其屈服强度时突然发生，具有其不可预知性，因此，往往导致较为严重的破坏和后果。
随着超高强度级别钢的发展及其应用领域的不断拓展，延迟断裂现象受到更大程度的关注。
以汽车零部件为例，其产品形状复杂，变形量大，车厂、零部件制造商及材料供应商对延迟断裂性能更加重视，已经成为材料性能认证项目之一。
延迟断裂行为的影响因素金属材料的延迟断裂行为是在材料、环境和应力三者共同作用下发生的，与材料的特性以及受力状态、服役环境密切相关。
材料强度的影响。
一般来讲材料的强度越高，其延迟断裂敏感性越大。
一般认为1000MPa是一个危险的水平，即抗拉强度低于1000MPa时钢材耐延迟开裂的性能相对较好，而当材料强度大于1000MPa时，其延迟断裂敏感性较高。
氢脆化原理
氢脆化原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊氢脆化原理。
哎呀，这可真是个神奇又有点让人头疼的玩意儿呢！
你想想看啊，就好比铁家伙是个强壮的大力士，平时威风凛凛的。
可一旦氢这个小调皮掺和进来，就像给大力士使了个坏招一样。
比如，那些长期处在氢气环境中的金属零件，时间久了就可能变得脆脆的，就像大力士突然没了力气，轻轻一掰就断了，这多吓人呀！
那氢脆化到底是怎么发生的呢？简单来说，氢原子这个小淘气就像个捣蛋鬼，它会偷偷溜进金属的内部，在那里搞破坏。
它会让金属的晶体结构发生变化，让原本坚固的结构变得脆弱不堪。
就好像一个原本团结的团队，突然被人挑拨离间，变得分崩离析了。
这不，一些高强度的钢铁啊，就特别容易被氢脆化给盯上。
我之前就听一个搞工程的朋友抱怨过，他们工厂里的一些设备因为氢脆化出了问题，可把他们给烦死了。
他说：“哎呀，这氢脆化可真是个大麻烦，好好的设备就这么不顶用了！”可不是嘛，这得多耽误事儿呀！
对于氢脆化，我们可得重视起来呀！它就像个隐藏的敌人，随时可能给我们制造麻烦。
我们得想办法去预防它、应对它。
咱不能让这个小捣蛋鬼一直捣乱呀！所以，大家一定要了解氢脆化原理，这样才能更好地和它斗智斗勇。
我的观点就是，氢脆化不可怕，只要我们充分认识它，就能找到对付它的办法，让我们的金属制品都能健健康康的！。
氢脆
氢脆1.氢脆的定义：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。
强度极限：材料不发生过量塑性变形甚至断裂。
2.氢脆产生的条件：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。
3.氢脆的来源：内部氢脆和环境氢脆。
①内部氢脆：是材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性，它可以是材料在冶炼、热加工、热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程中产生。
②环境氢脆：是指材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境与介质中产生。
这样的环境通常有(1)在纯氢气氛中(有少量的水分，甚至干氢)由分子氢造成氢脆(2)由氢化物致脆(3)由H2S致脆(4)高强钢在中性水或潮湿的大气中致脆。
总结：无论是内部氢脆还是环境氢脆，其脆化的本质都是一样的。
这个现象叫“氢脆”，不叫“氢化”，主要发生在钢铁上。
对于铜来说，氢能溶于液态铜，且其溶解度随温度的升高而升高；若吸氢较多，过饱和氢会大量析出，在铸坯上出现微小气泡和微裂纹。
另外一方面如上文所述形成水蒸气，产生极大内应力，引起所谓“氢脆”现象，严重影响铜的塑性加工性能。
但是在酸性环境中，由于铜的化学活性比氢低，通常并不会被腐蚀。
至于铝，它会把酸中的氢离子还原成氢气，相应地自己被腐蚀掉。
4.氢脆的特点①首先氢脆一经产生，就消除不了。
②氢脆只可防，治不了。
③电镀后，如产生氢脆，进行热处理是不适合的。
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。
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。
但是加热会破坏镀层。
5.如何预防氢脆。
①控制好酸洗过程。
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。
氢脆知识
氢脆现象1、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。
又称白氢脆现象点。
2 内氢脆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。
3.热处理适合氢脆。
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。
加热会破坏镀层。
4.如何防治。
主要是将酸洗控制好。
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，产生氢脆现象元素很高的压力，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、氢分压越突，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。
[专题]氢脆的介绍及断口形貌
![[专题]氢脆的介绍及断口形貌](https://img.taocdn.com/s3/m/d2988cd3ba4cf7ec4afe04a1b0717fd5360cb293.png)
氢脆断裂的失效分析1. 氢损伤的特点和分类氢损伤指在金属中发生的一些过程，这些过程导致金属的承载能力因氢的出现而下降。
氢损伤可以按照不同方式分类。
按照氢损伤敏感性与应变速度的关系分为两大类。
第一类氢损伤的敏感性随应变速度的增加而增加，其本质的是在加载前材料内部已存在某种裂纹源，故加载后在应力作用下加快了裂纹的形成和扩展。
第二类氢损伤的敏感性随应变速度的增加而降低，其本质是加载前材料内部并不存在裂纹源，加载后由于应力与氢的交互作用逐渐形成裂纹源，最终导致材料的脆性断裂。
1.1第一类氢损伤第一类氢损伤包括以下几种形式：(1)氢腐蚀由于氢在高温高压下与金属中第二相夹杂物货合金添加物发生化学反应，生成的高压气体，这些高压气体造成材料的内裂纹和鼓泡，使晶界结合力减弱，最终使金属失去强度和韧性。
(2)氢鼓泡过饱和的氢原子在缺陷位置(如夹杂)析出后，形成氢分子，在局部造成很高氢气压，引起表面鼓泡货内部裂纹。
(3)氢化物型氢脆氢与周期表中ⅣB或ⅤB族金属亲和力较大，容易生成脆性的氢化物相，这些氢化物在随后受力时成为裂纹源和扩展途径。
氢在上述三种情况下造成了金属的永久性损伤，使材料的塑性或强度降低，即使从金属中除氢，这些损伤也不能消除，塑性或强度也不能恢复，故称为不可逆损伤。
1.2第二类氢损伤第二类氢损伤包括以下几种形式：(1) 应力诱发氢化物型氢脆在稀土、碱土及某些过渡族金属中，当氢含量不高时，氢在固溶体中的过饱和度较低，尚不能自发形成氢化物。
在加载后，由于应力作用，使氢在应力集中处富集，最终形成氢化物。
这种应力应变作用诱发的氢化物相变。
只是在较低的应变速度下出现的。
然而，一旦出现氢化物，即使去载荷除氢，静止一段时间后，再高速变形，塑性也不能恢复故也属于不可逆氢脆。
(2) 可逆氢脆含氢金属在缓慢的变形中逐渐形成裂纹源,裂纹扩展后最终发生脆断。
但在未形成裂纹前,去载荷除氢,静止一段时间后再高速变形,材料的塑性可以得到恢复,为可逆氢脆。
12.4环境断裂——氢脆
3,氢致相变导致的氢脆 , (1) 氢化物析出导致氢脆 很多金属或合金(如 , , , , , , 很多金属或合金 如Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta, Re等)能形成稳定的氢化物,氢化物是一种脆性中 能形成稳定的氢化物, 等 能形成稳定的氢化物 间相,一旦有氢化物析出, 间相,一旦有氢化物析出,材料的塑性和韧性就会 下降,即氢化物析出导致材料变脆. 下降,即氢化物析出导致材料变脆.这是一种氢致 相变引起的氢脆. 相变引起的氢脆.
(3) 焊接冷裂纹 焊接过程是个局部冶炼过程, 焊接过程是个局部冶炼过程,焊条及大气中的水分会进 入熔池变成H,当进入的氢量较高时, 入熔池变成 ,当进入的氢量较高时,在焊后的冷却过程中 就有可能产生氢压微裂纹(类似于钢中白点 . 就有可能产生氢压微裂纹 类似于钢中白点). 类似于钢中白点 采用低氢焊条,焊前焊条和工件烘烤, 采用低氢焊条,焊前焊条和工件烘烤,焊后工件缓冷等 措施就可避免焊接冷裂纹. 措施就可避免焊接冷裂纹.
4,氢致开裂新机理 , 基本思想: 基本思想: (1)氢促进位错发射和运动,即促进局部塑性 )氢促进位错发射和运动, 变形 (2)氢降低了原子键合力 th(H) )氢降低了原子键合力σ (3)原子氢进入微裂纹复合成 2,产生氢压 )原子氢进入微裂纹复合成H 问题:如何定量化 问题:如何定量化?
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(2) H2S诱发裂纹 诱发裂纹 碳钢或低合金管线钢在H 溶液中浸泡时 溶液中浸泡时, 碳钢或低合金管线钢在 2S溶液中浸泡时,即使不存在 外应力,试样内部也会产生微裂纹,裂纹呈台阶状. 外应力,试样内部也会产生微裂纹,裂纹呈台阶状.如裂纹 处在试样表面附近,则容易在表面引起鼓泡. 处在试样表面附近,则容易在表面引起鼓泡. H2S在钢的界面上反应生成 ,它进入试样后富集在夹 在钢的界面上反应生成H, 在钢的界面上反应生成 杂物周围,复合成 产生氢压, 杂物周围,复合成H2,产生氢压,当分子氢压大于临界值时 就会产生裂纹. 就会产生裂纹.
氢脆现象发生的条件
氢脆现象发生的条件氢脆现象是指在一些特定的情况下，多孔质的金属或合金材料在受到氢气的作用下出现脆裂现象。
这一现象首次在19世纪中叶被发现，至今仍然是一个备受研究和关注的问题。
了解氢脆现象发生的条件对于预防和控制氢脆脆断十分重要。
下面将详细介绍氢脆发生的条件。
一、氢源氢脆现象的发生需要外部供源的氢，可以来自环境中的氢气，也可以是工业过程中的氢气。
氢气溶解在金属的微观裂纹、间隙或内部缺陷中，引发了氢脆现象。
氢气主要通过介质中的溶解或扩散、电解质的腐蚀产生以及金属与酸性或碱性溶液发生反应产生。
二、金属结构金属的结构是影响氢脆现象的重要因素，包括晶界、相界、内部缺陷等。
晶界势必使金属表面形成一定的位错，从而在氢脆的发生中起到了一定的作用。
不同的金属晶界对氢的吸收和扩散的能力不同，晶界内的氢裂纹也更易发生。
相界是不同相之间的界面，一些相界能够促进氢原子的扩散，导致金属材料在氢气的作用下更容易发生脆断。
此外，金属材料中的缺陷如夹杂物、孔隙、裂纹等也会增加氢脆的发生几率。
三、应力条件应力是促使金属材料发生氢脆的一个重要条件。
外部的应力可以是静态的（如预应力、残余应力）也可以是动态的（如加载和松弛）。
这些应力会影响氢脆的发生。
应力会导致氢原子在金属材料中扩散，并集中在一些特定的区域，通过影响材料中的位错和晶界，加速了氢脆的发生。
四、温度条件温度也是影响氢脆现象的重要因素。
一般来说，在较高的温度下，金属材料的弹性和韧性较高，对氢脆的抵抗能力也相对较强。
而在较低的温度下，金属材料的韧性和塑性降低，更易发生氢脆。
此外，温度还会影响氢原子在金属内部的扩散速度，在一定的温度范围内，氢脆现象呈现明显的温度敏感性。
五、环境条件金属材料与外界环境的相互作用也会影响氢脆现象。
一般来说，酸性和碱性环境中的金属更容易发生氢脆，而在中性环境中的金属抵抗氢脆能力较强。
此外，湿度、氧含量等因素也会对金属材料的氢脆现象产生一定的影响。
总结：氢脆现象的发生需要满足多个条件，包括氢源、金属结构、应力条件、温度条件和环境条件。
第六章-氢脆
当金属中存在固溶的氢时，氢原子能使原子的键合力下降，这样金属发 生断裂所需要的外力下降，则局部应力集中所需的临界应力从没有氢脆时的 σc下降到σcH，或应力强度因子KIC从下降到KIH 。
第6章 氢脆
6.2 氢脆的机理
第6章 氢脆
6.1 氢脆现象与分类
6.1.5 氢的来源
1）冶金过程
在冶炼过程中，原料中所含的水分及炉气 中水分在高温下分解，分解的氢进入液态金属。
在冷却过程中，这些氢不能及时排出来， 在金属中聚集并结合，变成氢气泡残留在金属 及合金中。
如果将试样拉断，通常在断口上观察到如鱼目状的一种白色圆形斑点。 俗称“白点”，直径约为0.5-3mm，白点中心含有微细气孔或杂质物，对塑 性韧性有较大影响。 降低冶炼过程中的氢量是防止白点的有效措施。采用低氢冶炼工艺或炉
第6章 氢脆
6.2 氢脆的机理
6.2.4 晶格弱化机制
3）解释现象
按照氢脆的定义，它是氢进入材料内部而引起材料的塑性下降的现
象。对一些氢脆过程，如果金属的断裂应力或断裂的临界应力强度因子 下降，均可用晶格弱化机制。如高韧性钢在预充氢后进行缓慢的拉伸， 或在含氢溶液中的缓慢拉伸，后者通常称为动态充氢，是缓慢增长的应 力和充氢同时作用。
由降低到σcH ，或应力强度因子KIC从下降到KIH
cH
[
2E H (1 2
)a
]1/
2
KIH
[
2E H (1 2
)
]1/
2
6.2 氢脆的机理
6.2.3 吸附机制
第6章 氢脆
对金属材料来说，断裂时裂纹尖端存在塑性变形，断裂吸收塑性变形
氢脆现象发生的条件
氢脆现象发生的条件氢脆是一种金属材料在受到应力作用和存在氢气的环境中发生的一种特殊断裂现象，通常会导致金属材料的脆性断裂，严重影响材料的性能和使用寿命。
氢脆现象的发生条件涉及多方面因素，包括材料本身的性质、应力水平、氢气浓度、温度、环境等方面。
在实际工程中，只有全面了解氢脆的发生条件，才能够有效地预防和控制氢脆的发生，确保金属材料的安全可靠使用。
本文将对氢脆现象发生的条件进行详细探讨，以便更好地加强对氢脆现象的认识和防范措施的制定。
1.材料属性氢脆现象的发生与金属材料的化学成分和微观组织密切相关，一般来说，富含碳、锰、硼等元素的钢材容易发生氢脆。
此外，织构较细的金属材料也更容易受到氢脆的影响。
因此，在选择材料时，需要考虑材料的成分和组织结构，避免选择容易发生氢脆的材料。
2.应力水平氢脆的发生与应力水平有着密切的关系。
当金属材料受到一定程度的应力作用时，容易导致氢原子在晶格中集中聚集，形成氢脆的倾向。
尤其是在高应力环境下，氢脆现象更容易发生。
因此，要尽量避免金属材料受到过大的应力，特别是在容易产氢的工作环境中。
3.氢气浓度氢气浓度是导致氢脆的关键因素之一。
一般来说，当金属材料表面存在大量氢气时，氢脆现象更容易发生。
因此，需要尽量控制材料表面的氢气含量，减少金属材料在潮湿环境下的暴露时间，以避免氢脆的发生。
4.温度金属材料在一定温度范围内更容易受到氢脆的影响。
一般来说，当金属材料处于低温环境下时，氢原子在晶格中的扩散速度减慢，氢脆的倾向更加明显。
因此，在低温环境下需要格外注意氢脆现象的防范和控制。
5.环境金属材料所处的环境也会影响氢脆的发生。
特别是在含有水蒸气、酸性物质等化学物质的环境中，金属材料更容易发生氢脆现象。
因此，在使用金属材料时，需要充分了解所处环境的化学成分，避免金属材料与容易产生氢气的物质接触，从而减少氢脆的风险。
总之，氢脆的发生条件涉及材料属性、应力水平、氢气浓度、温度和环境等方面。
氢脆现象解释
氢脆现象解释
氢脆现象是指在高强度金属中，如钢和铁合金中，当金属在加工过程中或在使用过程中接触到氢气时，会出现脆性破裂现象。
氢脆的主要解释有三个方面：
1. 氢渗透：氢气在金属中运动并渗透进入金属晶粒中，会导致晶粒边界处的氢浓度升高。
当氢浓度超过金属破裂强度的临界值时，氢在晶粒内部形成气泡，增加了晶体的内部应力和负面应力。
这使得金属变得脆弱，容易发生脆性断裂。
2. 氢吸收：金属表面与氢气发生反应，形成金属与氢的化合物，这种化合物可被金属晶界吸收。
当晶界吸收了大量氢时，会导致晶界的强度减弱，从而引发氢脆现象。
3. 奥氏体转变：某些钢和铁合金的冷加工或焊接过程中会发生奥氏体亚晶的形成。
在奥氏体亚晶中，氢原子可以通过间隙位错或溶质排斥的机制嵌入金属晶体中，从而导致亚晶区域的氢浓度升高。
当氢浓度超过亚晶区的承受能力时，亚晶很容易发生断裂。
为了减少氢脆现象，可以采取以下措施：
1. 预处理：在金属加工或焊接之前，可以对金属进行退火或热处理，以减少在金属中的氢含量。
2. 控制加工条件：在金属加工过程中，控制加工速度、温度和
应变速率，以减少金属中的氢渗透和吸收。
3. 添加抑制剂：在金属中添加特定的元素，如钼、钛、铝等，可以减少氢对金属的吸收和渗透。
4. 使用防脆剂：在金属表面形成一层防脆剂涂层，可以减少金属与氢气的接触，从而减少氢脆现象的发生。
总之，氢脆现象是金属与氢气相互作用的结果，通过控制氢含量和加工条件，以及采取防护措施，可以减少或避免氢脆现象的发生。
氢脆
氢脆氢脆（hydrogen embrittlement）是指金属材料在冶炼、加工、热处理、酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用时，材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化，发生脆断的现象．人们不仅在普通的钢材中发现氢脆现象，在不锈钢、铝合金、钛合金、镍基合金和锆合金中也都有此现象．从机械性能上看，氢脆有以下表现：氢对金属材料的屈服强度和极限强度影响不大，但使延伸率是断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值显著降低。
在低于断裂强度拉伸应力的持续作用下，材料经过一段时期后会突然脆断。
氢脆的机理氢脆的机理学术界还有争议，但大多数学者认为以下几种效应是氢脆发生的主要原因：•在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹．•在石油工业的加氢裂解炉里，工作温度为300-500度，氢气压力高达几十个到上百个大气压力，这时氢可渗入钢中与碳发生化学反应生成甲烷．甲烷气泡可在钢中夹杂物或晶界等场所成核，长大，并产生高压导致钢材损伤．•在应力作用下，固溶在金属中的氢也可能引起氢脆．金属中的原子是按一定的规则周期性地排列起来的，称为晶格．氢原子一般处于金属原子之间的空隙中，晶格中发生原子错排的局部地方称为位错，氢原子易于聚集在位错附近．金属材料所外力作用时，材料内部的应力分布是不均匀的，在材料外形迅速过渡区域或在材料内部缺陷和微裂纹处会发生应力集中．在应力梯度作用下氢原子在晶格内扩散或跟随位错运动向应力集中区域．由于氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，这样在高氢区会萌生出裂纹并扩展，导致了脆断．另外，由于氢在应力集中区富集促进了该区域塑性变形，从而产生裂纹并扩展．还有，在晶体中存在着很多的微裂纹，氢向裂纹聚集时有吸附在裂纹表面，使表面能降低，因此裂纹容易扩展．•某些金属与氢有较大的亲和力，过饱和氢与这种金属原子易结合生成氢化物，或在外力作用下应力集中区聚集的高浓度的氢与该种金属原子结合生成氢化物．氢化物是一种脆性相组织，在外力作用下往往成为断裂源，从而导致脆性断裂．如何防止氢脆氢脆给人类利用金属带来了风险，因此研究氢脆的目的主要在于防止氢脆，由于氢脆的原因很多，而且人类的认识也不够透彻完整，所以现在还无法完全防止氢脆．目前防止氢脆的措施有以下几种：•避免过量氢带入--在金属的冶炼过程中降低相对湿度，对各种添加剂和钢锭模进行烘烤保持干燥．•去氢处理--减缓钢锭冷却速度使氢有足够的时间逸出，或把钢材放在真空炉中退火除氢．•钢中添加适当的合金元素，形成弥散分布的第二相，做为氢的不可逆陷阱，使得材料中的可活动氢的含量相对地减少，从而降低材料的氢脆倾向．•发展新的抗氢钢种，氢在体心立方晶体结构中的扩散速度比六角密堆结构或面心立方结构中的扩散速度高得多，所以抗氢钢常以具有面心立方结构的相为基，再加其他强化措施，可使其满足使用强度要求．•采用适当的防护措施--在酸洗或电镀时在酸液或电解液中添加缓蚀剂，使溶液中产生的大量氢原子在金属表面相互结合成氢分子直接从溶液中逸出，避免氢原子进入金属内部．•此外，在构件外涂敷防腐层或在工作介质中施加保护电位，可避免构件与介质反应生成氢．。
氢储存运输及加注技术教学课件：2.2氢脆
题
➢ 开发抗脆化涂层
➢ 减少材料服役环境中存在的氢量
促进了裂纹的萌生氢脆碳钢由于氢脆现象，在低于金属屈服强度的施加载荷下，结构元件会受到裂纹和脆
性断裂的影响。
氢吸收后
通过金属块扩散并被捕获在晶界中形成气泡
气泡对金属晶粒施加内部压力
碳钢合金吸收的氢原子
随着时间的推移而增加 降低了不锈钢材料的延展性和强度
氢脆
氢脆分类
环境氢脆 内部可逆氢脆 氢反应脆化
氢脆
环境氢脆
当金属浸入氢气气氛中时，氢气可以被吸收或吸附，这会改变材料的机械性 能，而不必形成第二相。
材料所承受的应力 ➢ 决定了氢造成的影响
氢在室温下也会增加
内部可逆氢脆 显着特征之一
➢ 加工材料时，氢会进入基体，即使材料没有暴露于 氢，也会导致结构失效。
氢脆
氢脆
氢气在储存过程中还存在一个关键的问题就是氢脆。
氢脆也称为氢损伤，它是氢进入材料 内部而引起材料的塑性下降的现象。
氢原子直径为0.64埃。
氢脆
元素周期表中最小的原子
• 材料处在含氢的环境中，氢原子很容易进入材料内部，在一定的条件下产生 氢损伤。
氢脆
氢脆
氢原子直径为0.64埃。 是元素周期表中最小的原子，材料处在含 氢的环境中，氢原子很容易进入材料内 部，在一定的条件下产生氢损伤。
谢谢大家
在酸洗过程中
➢ 金属表面暴露于酸性、潮湿环境中，会发生腐蚀损坏，从而加 速氢脆发生。
氢脆
氢储运压力容器材料
不锈钢
碳钢
氢脆
不锈钢
氢通过扩散过程进入晶界，与合金中的碳与铁结合，生成甲烷气体。
生成的甲烷气体不能移动
产生了巨大的压力
6-2氢脆
裂纹沿界面扩展。
自发形成氢化物：凝固、热加工时从过饱和固溶体中析出形成 应力感生氢化物：应力作用下，氢逐渐聚集到应力集中处形成 细化晶粒：连续的薄片状→ 不连续的块状
4）氢致延滞断裂
含有适量处于固溶状态的氢，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，特别是三向 拉应力区形成裂纹，裂纹扩展，最后突然发生脆性断裂。 特点： ①在一定温度范围内形成氢脆（-150~100℃）。 ②应变速率高，不会出现氢脆。 ③塑性显著降低，尤其是断面收缩率。 ④高强亚稳扩展，失稳扩展。 孕育阶段： 氢原子数量↑；扩散，偏聚。 氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；
电 阻
时间
位错运动受阻，产生应力集中，氢促进萌生裂纹。 断 面 收 缩 率 Ψ
4
2
3
1
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t
H
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温度t
四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系。 阳极溶解、金属开裂 阴极吸氢，延滞断裂。 实验识别的方法 当施加一小的阳极电流,如使开裂加速,为应力腐蚀, 施加一小的阴极电流,使开裂加速则为氢脆 断口识别的方法 在强度较低的材料中断裂源不在表面,而在表面以下的 某一深处 主裂纹没有分枝情况 断口没有腐蚀产物或者其量极微 其它 对温度和形变速率有强烈的依赖
五、防止氢脆的措施
1）环境因素阻止或减少氢进入材料 a.表面涂层处理
b.加入抑制剂 2）力学因素 减小或消除残余拉应力 设计时安全选材 3）材料因素 成分： 降低含氢量 C、Mn、S、P ↑氢脆 Ca、RE ↓氢脆
组织： 细化晶粒↓氢脆
氢脆敏感性↑ 粒状P 片状P 下B或回火M M
性能： 高强度钢（700MPa）的氢脆性大 冷变形的氢脆性大
氢脆
氢脆(或称氢损伤概念压力容器的氢脆(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。
氢的来源1）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。
2）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；3）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1）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。
2）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、氢分压越突，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。
3）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。
4）一些没有基本技术要求的钢材在高温（例如焊接）条件下就容易产生氢脆。
例如Q235牌号的钢在焊接过程中，虽然焊接看起来很容易、很好，但是钢铁本身已经溢出了有害的氢破坏了钢铁的结晶组织，使得钢铁在这里变得脆弱，容易断裂，大大降低了钢铁在这个部位的强度5）氢脆是指，高强度钢在富氢环境（液体、气氛）中进行处理时，氢原子会向钢基体中渗透，使高强度钢出现塑性和韧性降低，甚至脆裂的现象称为氢脆。
如弹簧件电镀时，在除油、浸蚀、电镀工序中，均易发生基体或镀层渗氢。
其后果轻者镀层鼓泡、脱皮; 重者产生氢脆导致弹簧断裂避免氢脆的措施1）钢中添有铬、钛、钒等元素，可以阻止氢脆的产生2）出现氢脆的工件通过除氢处理（如加热等）也能消除氢脆；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3）利用正火、时效等方法可进行去氢处理。
氢脆机理及其防止办法
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。
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。
减少氢脆的办法大致有以下几个方面：。
氢脆理论分析
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H 2（或与氢有关的其它气体），当H 2的压力大于材料的屈服强度时产生局部塑性变形，当H 2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，C H －合金中的平均氢浓度；V H －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C th 时断裂，对应的外应力即为氢致滞后断裂的门槛应力σth ，即：•若σth 裂；• 若σ＞σth ，经过时间 t f 后，发生断裂，且应力越大，滞后断裂时间越短。
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外門
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2014/6/13
Q-Lab., Inc.
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氫脆化消除 - 烘烤時間
開始計時
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Q-Lab., Inc.
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氫脆化消除 - 烘烤時間
ASTM F1941 電鍍鋅
高抗拉強度材料 : 熱處理或表面硬化後具有40HRC或以上的硬度的 緊固件以及有組合華司之緊固件，在電鍍後應實施烘烤以降低氫脆 的危險。除非採購者有其它規定，否則最大硬度規定在40HRC以下 的緊固件可以不強制實施烘烤。典型的烘烤時間是8小時應由使用者 和製造者同意. 烘烤時間介於2 - 24小時和350 - 4500F 烘烤時機:緊固件必須在電鍍後4小時內被烘烤，最好在1小時開始烘 烤。必須在鉻酸鹽處理之前施以烘烤以消除氫脆化，因為實施烘烤 時如果溫度在150OF(66OC)以上鉻酸膜將會被破壞，使得原披覆無效。
2014/6/13
Q-Lab., Inc.
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產品條件 – 各規範的要求
ASTM B633 電鍍鋅
高抗拉強度材料 : 除非有特別規定，否則具有1700 MPa(245ksi)以 上高抗拉強度的鋼件不宜電鍍。 氫脆消除－電鍍後的零件具有1200MPa（174ksi）以上的抗拉強度 時，在電鍍後4小時內，應將零件置於至少190C和烘烤3小時以上， 以消除氫脆。
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華司的氫脆測試方法
ASME B18.2.1, ISO 15330
1. 準備一組相同規格的螺栓, 螺帽和數片平行墊片。平 行墊片的硬度應比被測試彈簧華司實際的硬度還高。 2. 把彈簧華司置入與華司公稱直徑相同規格的螺栓中。 在華司之間應以未表面處理的平行墊片隔開。錐形彈 簧華司可如圖示以成對的方式組裝再將其鎖緊至一足 夠造成彈簧華司平坦的負荷。 3. 測試時間應最少持續48小時以上。最少每 24 小時必 須被再鎖緊至原先鎖緊的扭力。如果鎖緊扭力損失超 過原鎖緊扭力的50%以上，必須再重新測試。 4. 測試後, 在無增大倍率的狀態下檢查。華司應無任何 可目視的裂痕或破裂。 5. 參考測試 :當測試期間華司產生破裂，有些不一定是 由電鍍過程所產生的氫脆。可以試著使用未電鍍的華 司來進行參考測試，以進一步評估引起破裂的原因。
2014/6/13
Q-Lab., Inc.
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氫脆化測試
2014/6/13
Q-Lab., Inc.
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氫脆化測試的原理
測試 3 步驟
對零件施加負荷以偵測零件所能承受的最大值 : 在 一適當的固定裝置下(儘可能模擬預期的應用)，分 別對零件施加到破壞(或降伏)，以得到其極限(或 降伏)扭力或拉伸應力。 決定所需要測試的“值” : 以極限扭力或拉伸應力 的某個百分比(例如80%)，在相同的固定裝置下， 來對零件施加負荷。 在負荷下維持一定的時間 : 決定保持此負荷(鎖緊 扭力或拉伸應力)的時間長度(通常是24, 48, 或72 小時)。
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氫脆化測試 – SAE USCAR-7
固定裝置的方法
自攻螺絲可以在測試板的孔中預先攻入螺紋以達到實現螺 絲失敗的目的(來代替螺紋打滑)。 螺絲被測試時，如果使用螺帽來作為測試組件的一部分， 可以把扭力施加於螺絲的頭部或螺帽上。 平面和圓錐型華司，可以在有加大尺寸的間隙孔的固定裝 置上進行預先組裝或鬆開來測試，因為華司反向所以在击 的表面會引起高拉伸應力。華司要在到相當於華司最小外 部直徑的 80% 的孔徑上方來施加負荷。用來對華司施加負 荷的裝置或螺栓六角形的尺寸應不能大於 1.5 倍的華司內 徑。 5 個華司必須被施加負荷到材料的降伏強度。以 80% 的 測試平均負荷來作為消除脆性測試的測試負荷。
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 14
氫脆化測試 – SAE USCAR-7
具有螺紋的零件
隨機的由批中選擇最少 5 個零件用來評估以建立測試所需 施加的應力或扭力。 在測試固定裝置上施加扭力於測試零件上，直到零件產生 極限的破斷。記錄這 5 個樣品的每個最大扭力值。 求出這 5 個樣品的扭力平均值。 以80%的平均扭力值在相同的測試固定裝置上實施鎖緊。 維持鎖緊24小時後鬆開檢查是否產生任何的失敗，若失敗 即終止測試和整批予以拒收。如果沒有產生失敗，繼續的 維持此零件在負荷下及再增加24小時，之後再鬆開檢查是 否產生任何的失敗。 如果有一個或多個樣品發生裂開或斷裂，全批應被拒收和 報廢(不允許這些零件再次重工)。
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 16
氫脆化測試 – SAE USCAR-7
固定裝置的方法
螺絲可以裝置在 4o 的墊楔板中以代表在最壞的組裝條件下 測試。 在螺絲和墊楔板中可以插入一平華司以消除因承受面形狀 對扭力的影響。華司的孔徑應不可大於螺絲外徑的 0.04”(1.0mm)。華司的外徑應等於或大於所測試螺絲的 最大击緣直徑。 大尺寸的螺紋緊固件在建立測試扭力時可以加些潤滑油以 降低失敗的扭力要求。如果使用潤滑油時，也必須把這個 相同的潤滑油應用於後續的整個測試件中。 內驅動型螺絲可能會因為孔穴或 Bit 工具滑掉或失效而無 法被扭轉到失敗，此時可以使用 Bit 工具滑掉或失敗時的 平均扭力的80%來測試。以當作此螺絲氫脆測試的扭力。
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 5
表面處理過程 - SAE USCAR-5 的要求
適用條件：熱處理或冷加工到(心部或表面)硬度大於 353 HV 以上者。 熱處理前的清潔：熱處理前必須移除零件表面上的磷酸鹽潤滑劑殘留 和有害的污染物質。 酸洗：進行酸洗時，應使零件在酸洗池的時間局限於 10 分鐘以下。 上油處理：酸洗後上油處理的零件應以115 ± 5 °C的溫度和最少 1 小 時的烘烤除氫後再實施上油處理。 磷酸鹽處理：零件在經過酸洗後/磷酸鹽處理前的48小時內應以115 ± 5 °C的溫度和最少 1 小時的烘烤除氫後再實施磷酸鹽處理。 機械鍍鋅：零件在經過酸洗後/機械鍍鋅前的48小時內應以115 ± 5 °C 的溫度和最少 1 小時的烘烤除氫後再實施機械鍍鋅處理。 電鍍：硬度大於 353 HV 以上的零件於電鍍後(鉻酸處理前)1小時內應 以200 °C的溫度和最少 4 小時的時間烘烤除氫。 電鍍：硬度大於 390 HV 以上的零件於電鍍後(鉻酸處理前)1小時內應 以200 °C的溫度和最少 8 小時的時間烘烤除氫。 電鍍：經回火或應力消除在200 °C以下的硬化零件，於實施電鍍後應 以115 ± 5 °C的溫度和最少 8 小時的時間烘烤除氫。
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 6
氫脆化消除
2014/6/13
Q-Lab., Inc.
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氫脆化消除 - 烘烤
烘烤 : 烘烤主要是將陷入或聚集在材料內部表面的 氫排出, 避免侵入造成永久性缺陷
時機 : 實施處理後的1小時內(電鍍需於鉻酸處理 前), 放置太久可能無法使內部微組織回復 時間 : 由零件心部已經到達的溫度開始計時 溫度 : 最高溫度應考量塗層材料以及基材的種類和 以不超過其原始回火溫度為原則(例如錫)
緊固件的氫脆化介紹
課程大綱 • 氫脆的觀念和產生氫脆化的 主要因素 • 氫脆化消除的一些觀念 • 氫脆化的測試原理和測試方法
吳三發
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 1
氫脆化的觀念
氫脆是“氫+脆” 氫脆是氫原子的侵入,殘留或聚積 氫脆會造成材料組織的粒界破壞 氫脆是延遲性的破壞 以機械特性(硬度,拉力)無法測出
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 4
產品條件 – 各規範的要求
ISO 4042 電鍍
硬度高於320HV , 應實施氫脆測試 硬度超過365HV , 應制定程序管理風險 硬度大於385HV或等級12.9以上時不適用酸洗
ASME B18.21.1 防鬆華司
氫脆
淬火裂痕
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 2
產生氫脆化的共同因素
氫脆是在3種條件下的交互作用所產生之結果 產品條件:高抗拉強度或高硬度(包含表面硬化 例如 : 熱處理,滲碳或冷加工硬化) 表面處理過程:會吸收氫氣的場合如:酸洗、磷 酸鹽處理、電鍍、大氣的侵入(廣義) 應力:在抗拉應力作用下顯現
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 13
氫脆化測試前的一些重要觀念
1. 使用依各規範所要求的適當固定裝置和配合件, 儘可能模擬預 期的應用。在決定測試值時所使用的裝置和配合件，也必須把 相同配備條件施加於後續的測試中，以得到預期的相同負荷。 2. 決定緊固件的極限破裂時，若無特別指定時, 可行的話必須測 試至破斷。 3. 頭型或內驅動型螺絲可能會因為孔穴或 Bit 工具滑掉或失效致 無法被扭轉到失敗，此時可以使用 Bit 工具滑掉或失效時的平 均扭力的一定比率來作為氫脆測試的鎖緊扭力。 4. 緊固件於氫脆測試前可以予以潤滑以增進測試的可靠度(可達 到更均勻的扭力值)。但如果使用潤滑劑時，也必須把這個相 同的潤滑劑應用於後續的整個測試過程中。 5. 參考測試 :當測試期間緊固件產生破裂，有些不一定是由電鍍 過程所產生的氫脆。可以試著使用尚未電鍍的緊固件來進行參 考測試，以進一步評估可能引起破斷的原因。
2014/6/13 Q-Lab., Inc. 15
氫脆化測試 – SAE USCAR-7
無螺紋的零件
隨機的由批中選擇最少 5 個零件用來評估以建立測試所需施加 的應力或扭力。 對零件的幾何特徵和型式決定一可接受的拉伸測試方法。測試 固定裝置和測試程序必須由供應商和採購者雙方所同意。 對零件施予拉伸負荷直到被測試零件產生破壞。記錄這 5 個樣 品的每個最大拉伸負荷值。求出這 5 個樣品的拉伸負荷平均值。 供應商必須決定一足夠的測試負荷以能偵測出脆性。最少，測 試負荷應該超過零件本身實際組裝期間所使用的負荷值。 以70~80%的平均負荷值在相同的測試固定裝置上實施。 維持此零件的負荷在固定裝置中最少48小時。之後從固定裝置 退出和進行檢查是否產生任何失敗。 如果有一個或多個樣品發生裂開或斷裂，全批應被拒收和報廢 (不允許這些零件再次重工)。