氢脆的介绍及断口形貌

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。加载之前材料若已含有氢则称为内部氢脆,而在致氢环境中加载则称为外氢脆。人们通常所说的氢脆主要是指可逆氢脆,这是氢损伤中最主要的一种破坏形式,因此有时把氢损伤简单地称为氢脆。本文主要针对这种形式的氢损伤。

2. 氢脆断口的特征

2.1 裂纹起源

工件如果不承受高水平的外加拉伸应力或残余拉伸应力,则氢脆裂纹通常起源于工件内部或近表面处。工件如果存在严重的应力集中,比如表面有尖锐的缺口,开裂可能起源于近表面处。

2.2 裂纹形貌

氢脆断口与其它脆性断口很相似,容易混淆,因此在进行失效分析时应慎重对待断口花

样。氢脆裂纹通常是单一裂纹,没有明显的分叉。裂纹可以是穿晶的,也可以是沿晶的,还可以是混合的,有时随扩展的进行从一种花样转变为另一种花样。高强材料和有杂质的材料出现沿晶断口的可能性大,这时的晶界面相对于SCC的晶界面来讲,非常干净光洁。在延性不太好的合金中(体心立方),穿晶裂纹的花样可能是解理或准解理。在延性好的低强度钢或面心立方金属中,断口花样可能是韧窝,随着延性下降,韧窝尺寸变小。

对于有预裂纹的高强度钢的氢致延迟断裂,断口花样与KⅠ/KⅠC的比值有关。比值大,机械断裂的比重大,断口呈现韧性花样(韧窝、准解理)的可能性大;比值小,则氢有充分的机会起作用,断口上出现脆性花样(沿晶、解理)的可能性增加。

低碳钢的氢致沿晶断口很独特。材料变形时空洞首先在FeC3上形核,但优先沿晶界扩展,这样就获得了所谓的“韧性沿晶断口”,即断口是沿晶的,但晶界面是由韧窝构成;或在沿晶小刻面上出现细小的、发育不完整的韧窝(图9),即所谓“鸡爪痕”。有人认为这可能是氢气或甲烷气在晶界处形核的结果,也可能是氢增强局部塑性流变的结果。还有一种情况就是沿晶(或解理)与撕裂棱上的韧窝共存(图10),这也是氢脆断口的特征之一。

2.3断口上的沉积

对于内部氢脆,断口上没有腐蚀产物,除非断开后断口接触过腐蚀介质。断口上的外来物质即使有也是痕量的,除非断口被污染过。对于痕量的断口表面物质,需要应用俄歇谱仪进行分析。

对于在水介质中发生的外氢脆,断口和整个暴露表面通常发生程度不一的腐蚀,腐蚀的阴极过程为氢脆的发生提供了氢。

1、氢蚀（或称气蚀）

高压气泡（H2，CH4）

宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）；

微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。

2）白点（发裂）

氢的溶解度↓，形成气泡体积↑，将金属的局部胀裂。

宏观：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。甚至有白线。

3）氢化物

形成氢化物（凝固、热加工时形成；或应力作用下，元素扩散而形成）。

氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。

裂纹沿界面扩展。

4、氢导致延滞断裂

由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。

原因：氢显著降低金属材料的断后伸长率。

条件：一定温度范围；慢速加载（恒载）

三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。

1）孕育期

氢原子数量↑；扩散，偏聚。

氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受阻，产生应力集中，萌生裂纹。2）温度的影响

ttH 氢气团扩散，无氢脆。3）应力状况

应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进H溶解。

高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。[循环软化]

四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系。

“相互促进”

阳极溶解、金属开裂

阴极吸氢，延滞断裂。

五、防止氢脆的措施

1）材料降低含氢量，细化组织

2）环境减少吸氢的可能性

3）力学因素减小残余应力