氢脆的介绍及断口形貌
氢脆断口的形貌特征
氢脆断口的形貌特征严格地说，氢脆不是一种独立的断裂机制，氢只是有助于某种断裂机制的进行。
在体心立方金属及合金中，当氢有利于解理断裂时，形成氨脆解理。
当氢吸附在晶界时则形成沿晶断口。
氢有利于微孔时形或韧窝断口。
氢脆断口的宏观形貌特征是典型的脆性断口，断口：有放射线花样或有结晶状颗粒，见图7-2。
断口平齐，无塑性变形，断口具有金属光泽。
一般断口由两个区域组成，一个区域为氢脆断裂区--氢脆裂纹亚临界扩展区，另…个区域为瞬时断裂区，图7-3是40CrNiWA钢螺钉氢脆断口，断裂起源于外螺纹根部，源区有几个辐射台阶，旱粗糙颗粒状；瞬时断裂区是占断口总面积三分之二的纤维平断口区及45剪切唇区。
在大截面锻件的断口上可以看到白色的圆形或椭圆形亮斑-白点（见第二节）。
在小型零件或丝材断口边缘上可观察到白色亮环,例如镀锌弹簧发生氢脆断裂时,在断ㄩ边缘附近断面上的光亮区域系因氢脆造成的小断裂面。
弹簧氢脆断口微观形貌寿命特征弹簧氢脆的微观断口随钢种及热处理制度的不同而异,最基本的断口形态是沿晶断口与准解理断口。
有时也可见到解理及局部韧窝断裂。
弹簧氢脆沿晶断口的特征是断口上作二次裂纹、显微孔洞及发纹,晶界棱线清楚,晶界面光滑,见图7-4。
般认为发纹是在脆性沿晶分离过程中,材料最后相连部分发生撕裂造戎的,发纹与撕裂棱形成机制相同。
发纹在沿晶弹簧氢脆断口晶面上多而且清晰,在应力腐蚀断口上少而模糊图 7-5 是普通碳钢的弹簧氢脆断口：准解理＋显微孔洞+细发纹图 7-6 是 50CrVA 钢弾簧惭口,热处理工艺为盐炉850℃油淬+390℃回火,表面经酸洗、镀镉之后，于190℃除氢 2 小时,酸冼镀镉导致渗氢,由于除氢温度低、时间短,渗人的氢来不及扩散外逸造成弹簧氢脆断裂。
距断口不同部位用高频色散谱仪测氢,氢含量过高,见表 7-2。
高强钢弹簧氢脆断口微观形态与应力水平有关,当裂纹前端受很高的应力场强度因子作用时,断裂以微孔聚集方式进行;在中等 K值下是准解或准解理加韧窝,或沿晶断裂加韧窝,在低 K 值下是沿晶断裂。
氢脆
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主要是将酸洗控制好。 主要是将酸洗控制好。 首先，尽量缩短酸洗时间； 首先，尽量缩短酸洗时间； 其次，加缓蚀剂， 其次，加缓蚀剂，减少产氢量
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氢
控
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电镀过程中,在阴极析出金属 主反应 电镀过程中 在阴极析出金属(主反应 在阴极析出金属 主反应) 的同时,伴有氢气的析出 副反应)。 伴有氢气的析出(副反应 的同时 伴有氢气的析出 副反应 。析氢 的影响是多方面的,其中最主要的是氢 的影响是多方面的 其中最主要的是氢 脆。氢脆是表面处理中最严重的质量隐 患之一,析氢严重的零件在使用过程中 患之一 析氢严重的零件在使用过程中 就可能断裂,造成严重的事故 造成严重的事故。 就可能断裂 造成严重的事故。表面处 理技术人员必须掌握避免和消除氢脆的 技术,以使氢脆的影响降低到最低限度 技术 以使氢脆的影响降低到最低限度
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避免和消除的措施
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1 减少金属中渗氢的数量 在除锈和氧 化皮时, 尽量采用吹砂除锈, 若采用酸洗, 化皮时 尽量采用吹砂除锈 若采用酸洗 需在酸洗液中添加若丁等缓蚀剂; 在除油时, 需在酸洗液中添加若丁等缓蚀剂 在除油时 采用化学除油、清洗剂或溶剂除油, 采用化学除油、清洗剂或溶剂除油 渗氢量 较少, 若采用电化学除油, 先阴极后阳极; 较少 若采用电化学除油 先阴极后阳极 在电镀时, 在电镀时 碱性镀液或高电流效率的镀液渗 氢量较少。 氢量较少。 2 采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层 3 镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患
氢
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氢
LOGO 1. 氢
义
2. 氢
现
3.氢脆机理
氢脆断口特征
氢脆断口特征氢脆断口是金属材料在一定的温湿度下遭受水解作用或水气腐蚀后，发生脆性断裂现象。
出现氢脆断口的金属部件往往在应力状态下发生破裂，给生产和工程应用带来了极大的风险。
氢脆断口的特征是比较明显的，其中最典型的特征有以下几个方面：首先，在金属破裂口处会呈现出典型的韧窝和脆断块状结构。
这种断口形态是氢脆断裂过程中一种较为明显的特点，是通过显微组织观察所得到的结果。
在实际生产中，可以通过断口形态的观察对发生氢脆断裂的金属材料进行初步的鉴定。
其次，氢脆断口的表面通常是平整光滑的，没有明显的拉伸条纹和颗粒状物质。
而受纯粹机械破坏的金属构件，其断口表面则会出现拉伸条纹或颗粒状物质等。
除此之外，氢脆断口的金属材料通常会出现颜色变化，表面呈现淡黄色或浅灰色。
这是因为水解反应中含氢离子的电化学反应导致表面形成了氫化物或金属表面被覆盖了一层金属氢化物。
最后，氢脆破断口的金属组织结构通常为粗晶粒或伪装晶。
这是因为这两种结构往往会对氢离子的渗透形成一个更大的通道，从而更容易发生氢脆破断。
为了防止氢脆断口的出现和发生，可以采取以下措施：1. 在制造和生产过程中，应注意材料质量和处理，尽量避免材料表面被潮湿或暴露在水气中。
2. 控制加热温度和时间，避免过快或原材料在温度过高的情况下长时间暴露，以减少氢离子的吸收量。
3. 使用钢材时，可以添加少量微合金元素以提高钢的抗氢脆能力。
同时，在维护和保养过程中，应保持设备对于空气、水气和潮湿的敏感度尽量低，减少发生氢脆断口的风险。
综上所述，氢脆断口是一种比较复杂而且危险的现象，对于很多行业生产和工程应用都存在一定的风险。
掌握氢脆断口的特征和控制方法，可以有效地避免其发生，确保生产和工程安全。
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。
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?
本章结束! 本章结束!
(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.
氢脆失效危害巨大，它是如何发生的，生产过程中如何预防？
氢脆失效危害巨大，它是如何发生的，生产过程中如何预防？一、氢脆的概念及机理氢脆是工程失效分析中经常提到的一个术语。
顾名思义，它是由氢引起的金属材料的脆化。
其机理是氢原子沿晶界进驻晶界并向内扩散并聚集，并在应力作用下最终导致沿晶界开裂，从而导致金属材料最终产生脆性断裂。
与氢脆相关联的另一种失效模式是应力腐蚀。
氢脆机理非常复杂，氢脆断裂现象多种多样。
国内外氢脆理论有很多种，如位错钉扎理论、晶界聚集理论、氢气泡理论、脆性相理论等。
迄今为止，还没有统一的理论能够解释所有的氢脆现象。
但从理论上讲，氢不仅能使金属材料变脆，也能使金属材料变韧，即氢能致软化也能硬化。
在失效分析中，特别是在断裂分析中，裂纹并不总是以脆性的形式出现，而是也会以韧窝断裂的形式出现。
二、氢的来源及其在金属中的存在形态金属材料中氢的来源一般有两种。
一种是内氢，也就是材料内部含有的氢，其来源有：1.金属材料在冶炼、焊接或熔铸的时候导致内部残留的氢；2.金属材料在化学及电化学处理过程中，如电镀、酸洗时，进入金属内部的氢。
另一种是环境氢，即外来的氢。
零件或构件处于含氢的环境中工作，简称“临氢”。
金属材料在含氢的高温气氛中加热时，进入金属内部的氢。
氢在金属中的存在形态有如下几种：溶解氢：以间隙原子状态固溶于金属中的氢[H]；化合氢：形成各种氢化物；TiH、NiH、VH、ZrH、NbH等分子氢：气态H2存在于金属内部的气孔、裂缝中；氢还可以与各种合金元素溶质原子、晶体缺陷、各种化合物相发生程度不同的结合。
如与位错结合成为Cottrell气团。
三、氢脆的种类及其特征1. 氢蚀（氢+第二相→高压气体）发生氢鼓泡的温度较高，在205－595℃。
例如碳钢在300－500℃的高压氢气氛中工作，氢与钢中的碳结合生成CH4而断裂。
反应公式：H+C=H4C。
宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状；微观断口晶界明显加宽，呈沿晶断裂。
2. 白点（发裂）通常发生于大型钢锻件中。
氢脆断裂ppt课件
微观断口形貌与含氢量、钢的成分、晶粒大小、 应力大小、应变速度及温度等因素有关。
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三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀 应力腐蚀：应力-阳极过程 氢脆：应力-阴极过程
所引起的准解理面。
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主要特征：
拉伸塑性降低 缺口抗拉强度降低 静载条件下的延迟断裂 屈服强度不受明显影响 易发生于低应变速率及中温范围
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1、断口宏观特征
1）典型的脆性断裂特征：平齐、光亮，常存 在放射状棱线或呈颗粒状。
2）断口上有时可见银灰色并发亮的斑点，此 即白点。
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2、微观特征
1）常呈现沿晶或准解理形貌，有时可见解理 或局部韧窝。
一.氢脆断裂
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。
某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。
二者常常共存。
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二、氢 脆
常发生于高强度钢和高强度合金中。
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差异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
20SiMn2MoVA钢氢脆断口的分析及消除
镜分析 ,微观形貌见图 3 。在圆形白亮斑点心部含 有一个棱形脆性夹杂物 ,对夹杂物放大观察 ,可以清 楚的看到夹杂物与基体分离 ,见图 4 。进一步放大 观察 ,夹杂物周围平坦区为准解理脆性断裂形貌 (见 图 5) ,而平坦区以外的正常断口为韧窝 ,见图 6 。
收稿日期 :2002210216 作者简介 :余志刚 (19532) ,男 ,工程师 。
图 1 拉伸试样宏观断口 Fig. 1 Macro2fracture of tensile specimen
2 试验结果及分析
2. 1 化学成分分析 经 SPECTROVAC21000 型直读光谱仪和 CS2244
综合上述试验分析 ,发生在 20SiMn2MoVA 钢中 的氢脆属于第二类可逆性氢脆 ,当氢含量极少时它 对材料的强度无明显影响 ,而对材料的断面收缩率 影响较大 。资料介绍 ,钢中如果含有 4 ×10 - 6～5 × 10 - 6的氢 ,其断面收缩率只有不含氢钢的 20 %[3] 。 根据氢可以在钢中扩散的原理 ,对于可逆性氢脆 ,无 论是在热处理前或热处理后 ,都可以通过低温去氢 予以消除 。
对夹杂物进行能谱分析 ,结果见图 7 。可见夹 杂物中主要含铝 、钙 、铁等元素 ,结合其形貌特征综 合分析 ,这些夹杂物可能是铝的复合氧化物夹杂 。
图 7 夹杂物能谱分析结果 Fig. 7 Inclusion energy spectrum analyse fructify
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
通过去氢工艺试验 ,验证了上述分析 ,使其性能 得到明显恢复 ,氢脆断口消除 。
材料力学性能金属的应力腐蚀和氢脆
镍基合金
热浓NaOH溶液，HF溶 液和蒸汽
发烟硝酸，300℃以上旳
钛合金 氯化物，潮湿性空气及海
水
（3）一般以为，纯金属不会产生应力腐蚀，全部合金相应 力腐蚀都有不同程度旳敏感性，合金也只有在拉伸应力与 特定腐蚀介质联合作用下才会产生应力腐蚀断裂。
但在每—种合金系列中，都有相应力腐蚀敏感旳合金成 份。例如，铝镁合金中当镁旳质量分数不小于4％，相应力 腐蚀很敏感；而镁旳质量分数不不小于4％时，则不论热处 理条件怎样，它几乎都具有抗应力腐蚀旳能力。
第六章金属旳应力腐蚀和氢脆断裂
金属工件在加工过程中往往产生残余应力，在服役过程中 又承受外加载荷，假如与周围环境中多种化学介质或氢相接 触，便会产生特殊旳断裂现象，其中主要有应力腐蚀断裂和 氢脆断裂等，这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大旳 危险性。
本单元主要简介应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳产生旳原因、 断裂特征和影响原因等，简介金属材料抵抗应力腐蚀、氢脆 和疲劳腐蚀断裂旳力学性能指标及预防其断裂旳措施。
➢ 与脆性断口相同。沿晶断裂，晶界面上有许多撕裂棱。 ➢ 实际断口裂纹扩展途径和KI有关：
KI高，穿晶韧窝； KI中，准解理； KI低，沿晶
➢ 断裂类型与杂质含量有关 杂质高——沿晶断裂 杂质低——穿晶断裂
三、钢旳HIC机理
高强钢HIC三阶段：
1）孕育阶段（[H]钢中迁移[H]偏聚裂纹）
➢ 三个环节：氢原子进入钢中、氢在钢中旳迁移和氢旳 偏聚。 → 需要时间
腐蚀； 2.造成应力腐蚀破坏旳应力为极小应力。
钢丝应力腐蚀与一般拉应力断裂比较
二、应力腐蚀产生旳条件
（1）只有在拉伸应力作用下才干引起应力腐蚀开裂( 近年来，也发觉在不锈钢中能够有压应力引起)。
螺栓的氢脆断裂分析
螺栓得氢脆断裂氢脆断裂得种类很多,主要分为氢蚀断裂、白点断裂、氢化物致脆断裂与氢致延滞断裂。
螺钉氢脆断裂通常特指就是氢致延滞断裂:氢原子侵入螺钉得基体材料，螺钉拧紧后,即螺钉沿轴线承受一定静载荷(拉伸应力),经过一段时间，突然发生脆性断裂。
螺钉氢脆断裂就是常见得螺钉失效模式。
螺钉氢脆断裂通常发生于经过热处理与电镀处理得高强度普通螺纹螺钉与表面硬度较高得自攻螺纹螺钉,大多发生在螺钉头与螺杆或光杆与螺纹交接得部位。
螺钉氢脆断裂一般在螺钉组装后4８小时内发生。
判定螺钉断裂就是否为氢脆断裂最直观得方法就是观察断口形貌。
用肉眼或低倍放大镜宏观观察:螺钉氢脆断裂断口与最大正应力方向基本垂直,断口平齐，无明显得塑性变形,断面明显可分成裂纹源区与裂纹扩展区两个区域,裂纹源区呈结晶颗粒状,颜色呈暗灰色,裂纹源区从螺纹得根部开始,沿着螺纹旋转得方向开裂；裂纹扩展区颜色呈银灰色,可见放射状条纹,条纹收敛于裂纹源区。
用扫描电镜或电子显微镜微观观察:裂纹源区呈沿晶断裂（晶界间存在微裂纹)形貌,并存在沿晶二次裂纹，晶粒轮廓鲜明,呈冰糖状,晶粒表面存在大量得鸡爪痕，裂纹扩展区主要呈准解理断裂(在正应力作用下产生得穿晶断裂，通常沿一定得严格得晶面分离,同时伴随一定得塑性变形痕迹)形貌，部分区域存在韧窝(小凹坑)及沿晶断裂形貌。
螺钉基体材料得氢含量也就是判定就是否为氢脆断裂得重要依据。
氢含量可用氧氮氢分析仪测得，主要就是瞧含氢量相对于合格得螺钉或电镀处理前得螺钉就是否有显著增加。
碳钢材料允许得氢含量尚无严格得标准,但氢对碳钢材料会造成损害就是确定无疑得，含氢量得多寡仅表现为对碳钢材料损伤程度得差别。
螺钉得氢脆断裂机理非常复杂,自2０世纪40年代螺钉氢脆断裂问题被发现以来,其断裂机理一直就是学术界得研究热点,但至今还就是没有统一得认知。
比较有名得理论有四种：氢压理论、氢表面吸附理论、晶格脆化理论与位错理论。
其中位错理论能相对较好地解释螺钉氢脆断裂得特点，位错理论认为:当温度低于某一临界温度时,基体材料中得氢在基体形变过程中形成某种气团。
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
' tH
t
H
t0
' t0
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
螺栓氢脆断口特征
螺栓氢脆断口特征
一、前言
螺栓氢脆断口是指在使用过程中由于螺栓材料中存在过量的氢元素，导致螺栓出现断裂现象。
这种现象被称为氢脆断口。
本文将从特征、原因和防范措施三个方面详细介绍螺栓氢脆断口的相关知识。
二、特征
1. 断口呈现明显的韧窝状，表明该断裂发生在塑性变形区域；
2. 断口表面光洁，没有明显的晶粒状结构；
3. 断口处有时会出现黑色或紫色的斑点，这是氢化物沉淀所致；
4. 断口处存在细小的孔洞和裂纹，表明氢元素影响了金属材料的强度和韧性。
三、原因
1. 腐蚀：当螺栓材料受到水分或其他化学物质的侵蚀时，可能会导致氢元素进入金属晶格中；
2. 加工：在制造过程中，如电镀、焊接等加工过程中可能会产生大量氢元素；
3. 介质：在某些介质中，如酸性环境、高温、高压等条件下，螺栓材料可能会吸收氢元素；
4. 存储：长期存放在潮湿环境中的螺栓可能会因为吸收了大量水分而导致氢脆。
四、防范措施
1. 选择合适的材料：选择低含氢量的材料可以有效降低氢脆断口的发生率；
2. 加工过程中注意控制氢元素含量：在加工过程中，应该注意控制加工温度和时间，避免产生过多的氢元素；
3. 防止腐蚀：使用防腐涂层或选择抗腐蚀性能好的材料可以有效降低氢脆断口的发生率；
4. 储存注意事项：避免将螺栓存放在潮湿环境中，可以采用密封包装或其他方式保持干燥。
五、结论
总之，对于机械设备来说，螺栓作为连接件起到了至关重要的作用。
因此，在使用过程中应该格外注意防范氢脆断口的发生。
只有通过选材、加工、防腐等一系列措施，才能有效降低氢脆断口的发生率，保障设备的安全运行。
常用金属材料的氢脆
常用金属材料的氢脆氢脆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，也称延迟断裂。
延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集，应力集中部位的金属缺陷多（原子点阵错位、空穴等）。
氢扩散到这些缺陷处，氢原子变成氢分子，产生巨大的压力，这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力，组成一个合力，当这合力超过材料的屈服强度，就会导致断裂发生。
氢脆既然与氢原子的扩散有关，扩散是需要时间的，扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关。
因此，氢脆通常表现为延迟断裂。
氢原子具有最小的原子半径，容易在钢、铜等金属中扩散，而在镉、锡、锌及其合金中氢的扩散比较困难。
镀镉层是最难扩散的，镀镉时产生的氢，最初停留在镀层中和镀层下的金属表层，很难向外扩散，去氢特别困难。
经过一段时间后，氢扩散到金属内部，特别是进入金属内部缺陷处的氢，就很难扩散出来。
常温下氢的扩散速度相当缓慢，所以需要即时加热去氢。
温度升高，增加氢在钢中的溶解度，过高的温度会降低材料的硬度，所以镀前去应力和镀后去氢的温度选择，必须考虑不致于降低材料硬度，不得处于某些钢材的脆性回火温度，不破坏镀层本身的性能。
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。
如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置；石油化工生产过程中的甲醇合成塔等。
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。
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。
氢脆与应力腐蚀断裂的比较
三、氢脆与应力腐蚀断裂的比较
应力腐蚀与氢脆往往同时发生。
因此，要从机理上把应力腐蚀与氢脆清晰区分开来是困难的。
但是从预防的角度来看，区分他们又十分必要，因此，可以作如下的分析（表5-2）。
表5-2 氢脆与应力腐蚀断裂异同
? 应力腐蚀开裂氢脆
产生条件1临界值以上的拉应力或低速度应力
临界值以上的拉应力
（三轴应力）
2合金发生。
而纯金属不发生
合金与某些纯金属都能
发生
3
一种合金只对少数特定化学介质是
敏感的。
其数量和浓度不一定大
只要含氢或能产生氢
（酸洗、电镀）的情况
都能发生
4发生温度从室温到300℃从-100～100℃
5无应力时合金对环境是惰性的
无应力时合金对环境是
惰性的
6阳极反应阴极反应
7采用阴极防护能明显改善阴极极化反而促进氢脆8受应力作用时间支配不明显。
氢脆介绍基础知识
氢脆介绍基础知识一：什么是氢脆?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。
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。
hydrogen embrittlement氢能进人许多金属，典型的如铂、钯以及储氢合金等，也能进入钢铁。
当金属铁上阴极出氢时，氢离子或水分子放电后成为吸附在铁表面的氢原子，两个吸附氢原子可以复合成氢分子而逸出，但也可以越过铁的表面，并扩散进入金属的晶格。
它会在缺陷处富集，同样复合成氢分子，并逐步增大压强，在钢铁结构内部造成裂缝，降低其强度，甚至破裂。
这就是钢铁的“氢脆”，在电镀过程中以及对于输送含有硫化氢的油、气管道最为常见。
在介质中加入适当的缓蚀剂是有效的防护方法。
——摘自《化学辞典》（2004年4月，化学工业出版社）Hydrogen embrittlement氢进入金属内部，使金属中存在氢或氢与金属生成氢化物而导致金属脆化。
氢脆断裂
差 异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
• 氢脆：
沿晶断裂起源于皮下，呈多源断裂。 断口上撕裂棱较多，二次裂纹较少，尚可观察到平行 条纹花样，但不同于疲劳纹。 在沿晶区能发现韧窝及发纹，在某些区域可观察到氢 所引起的准解理面。
常发生于高强度钢和高强度合金中。 主要特征：
拉伸塑性降低 缺口抗拉强度降低 静载条件下的延迟断裂 屈服强度不受明显影响 易发生于低应变速率及中温范围
1、断口宏观特征
1）典型的脆性断裂特征：平齐、光亮，常存 在放射状棱线或呈颗粒状。 2）断口上有时可见银灰色并发亮的斑点，此
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。 某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。 二者常常共存。
二、氢 脆
1）常呈现沿晶或准解理形貌，有时可见解理 或局部韧窝。 2）沿晶断口显示出的晶界面平坦且无附着物， 有时可见白亮、不规则的细线条。
微观断口形貌与含氢量、钢的成分、晶粒大小、 应力大小、应变速度及温度等因素有关。
三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀
应力腐蚀：应力-阳极过程 氢脆：应力-阴极过程
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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
t<tH 氢扩散率很漫，不形成氢脆；t=tH 最敏感；t>tH 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。