什么是氫損傷？
氫損傷是指金屬中由于含有氫或金屬中的某些成分與氫反應(yīng)，從而使金屬材料的力學(xué)性能變壞的現(xiàn)象。氫損傷導(dǎo)致金屬材料的韌性和塑性性能下降，易使材料開(kāi)裂或脆斷。氫損傷與氫脆的含義是不一樣的，氫脆主要涉及金屬材料脆性增加，韌性下降，而氫損傷含義要廣泛得多，除涉及韌性降低、開(kāi)裂外，還包括金屬的其他物理性能下降。
根據(jù)氫引起金屬破壞的條件、機(jī)理和形態(tài)，氫損傷可分為氫鼓泡、氫脆、氫腐蝕三類(lèi)。氫鼓泡是由于氫進(jìn)人金屬內(nèi)部而使金屬局部變形，嚴(yán)重時(shí)金屬結(jié)構(gòu)完全破壞。氫脆是由于氫進(jìn)人金屬內(nèi)部而引起韌性和抗拉強(qiáng)度下降。氫腐蝕是指高溫下合金中的組分與氫反應(yīng)，如含氧銅在氫作用下的碎裂，含碳鋼的脫碳造成機(jī)械強(qiáng)度下降。
氫損傷是氫與材料交互作用引起的一種現(xiàn)象。氫的來(lái)源可分內(nèi)氫和外氫兩個(gè)方面。內(nèi)氫是指冶煉、鑄造、熱處理、酸洗、電鍍、焊接等工藝過(guò)程中引人的氫。外氫或環(huán)境氫是指材料本身氫含量很小，但使用中或試驗(yàn)中從能提供氫的環(huán)境吸收的氫，如與含H氫的介質(zhì)（H2、H2S）接觸或處在腐蝕或應(yīng)力腐蝕過(guò)程中，若存在氫還原的陰極反應(yīng)，部分氫原子也會(huì)進(jìn)人金屬中。由于氫和金屬的交互作用，氫可以以 H、 H+、 H-、 H2、金屬氫化物、固溶體化合物、碳?xì)浠衔铮ㄈ?CH4氣體）、氫氣團(tuán)等多種形式存在。氫在金屬中的分布是不均勻的，易于在應(yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端等應(yīng)力集中的缺陷區(qū)域擴(kuò)散和富集。
氫損傷機(jī)理
關(guān)于金屬材料的氫損傷機(jī)理的理論較多，但是各具特點(diǎn)，且均存在局限性。下面簡(jiǎn)要介紹氫脆、氫鼓泡及氫腐蝕的機(jī)理。
① 氫脆機(jī)理 氫脆是指由于氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象。氫脆機(jī)理，大多數(shù)認(rèn)為是溶解氫對(duì)位錯(cuò)滑移的干擾。這種滑移干擾可能是由于氫集結(jié)在位錯(cuò)或顯微空穴的附近，但是精確的機(jī)理仍然沒(méi)有搞清楚。原子氫與位錯(cuò)的交互作用理論（氫釘扎理論）認(rèn)為：因各種原因進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫原子存在于點(diǎn)陣的空隙處，在應(yīng)力的作用下，氫原子會(huì)向缺陷或裂紋前線的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散，阻礙了該地區(qū)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗塑性變形的能力，也叫做氫釘扎理論。因此，任外力作用下，能量只能通過(guò)裂紋擴(kuò)展釋放，故氫的存在加速了裂紋的擴(kuò)展。
② 氫鼓泡機(jī)理 氫鼓泡是指過(guò)飽和的氫原子在缺陷位置析出后，形成氫分子，在局部區(qū)域造成高氫壓。引起表面鼓泡或形成內(nèi)部裂紋，使鋼材撕裂開(kāi)來(lái)的現(xiàn)象，稱(chēng)為氫誘發(fā)開(kāi)裂或氫鼓泡。
由于腐蝕反應(yīng)或陰極保護(hù)，氫在內(nèi)表面析出，有許多氫擴(kuò)散通過(guò)鋼壁，在外表面結(jié)合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴(kuò)散到一個(gè)空穴內(nèi)，結(jié)合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴(kuò)散到一個(gè)空穴內(nèi)，結(jié)合成氫分子。因?yàn)闅浞肿硬荒茉诳昭▋?nèi)向外擴(kuò)散，導(dǎo)致空穴內(nèi)的氫濃度和壓力上升。當(dāng)鋼中氫濃度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，氫壓足以誘發(fā)裂紋，在氫源不斷向裂紋中提供H2的情況下，裂紋不斷擴(kuò)展。
③ 氫腐蝕機(jī)理 氫腐蝕是指在高溫高壓條件下，氫進(jìn)入金屬，發(fā)生合金組分與氫的化學(xué)反應(yīng)，生成氫化物等，從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降，發(fā)生沿晶界開(kāi)裂的現(xiàn)象。
氫腐蝕中伴隨著化學(xué)反應(yīng)。如含氧銅與氫原子反應(yīng)，生成水分子高壓氣體；又如，碳鋼中滲碳體與氫原子反應(yīng)，生成甲烷高壓氣體。
2H + Cu → 2Cu + H2O
4H + Fe3C → 3Fe + CH4
在高溫高壓含氫條件H下，氫分子擴(kuò)散到鋼的表面，并產(chǎn)生物理吸附，被吸附的部分氫分子轉(zhuǎn)變?yōu)闅湓樱纬苫瘜W(xué)吸附。然后直徑很小的氫原子會(huì)通過(guò)晶格和晶界向鋼內(nèi)擴(kuò)散。固溶的氫與滲碳體反應(yīng)生成甲烷，甲烷在鋼中擴(kuò)散能力很低，聚集在晶界原有的微觀空隙內(nèi)。反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，降低了該區(qū)域的碳濃度，其他位置上的碳通過(guò)擴(kuò)散給予不斷補(bǔ)充。這樣甲烷量不斷增多，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，使該處發(fā)展為裂紋，當(dāng)氣泡在晶界上達(dá)到定壓力后，造成沿晶開(kāi)裂和脆化。
影響氫損傷的因素
① 氫含量影響 氫含量增加，氫損傷敏感性加大，鋼的臨界應(yīng)力下降，延伸率減小，當(dāng)H2中含有適量O2、CO、CO2時(shí)，將會(huì)大大抑制氫損傷滯后開(kāi)裂過(guò)程，因?yàn)殇摫砻嫖竭@些物質(zhì)分子將會(huì)造成對(duì)氫原子的競(jìng)爭(zhēng)吸附，阻止了對(duì)氫吸附。
② 溫度的影響 隨著溫度的升高，氫的擴(kuò)散加快，使鋼中含氫量下降，氫脆敏感性降低，當(dāng)溫度高于65℃時(shí)，一般就不易產(chǎn)生氫脆了。當(dāng)使用溫度過(guò)低，氫在鋼中的擴(kuò)散速度也大大降低，也使氫脆敏感性下降，故氫脆一般在30-30℃范圍易于產(chǎn)生。但對(duì)于氫損傷，如氫與合金中成分的反應(yīng)，如脫碳過(guò)程，則必須在高溫下才會(huì)發(fā)生，這是由于高溫下化學(xué)反應(yīng)活化能會(huì)降低。
③ 溶液pH值的影響 酸性條件能夠加速氫的腐蝕，隨著pH值的降低，斷裂時(shí)間縮短，當(dāng)pH>9時(shí)，則不易發(fā)生斷裂。
④ 合金成分的影響 一般Cr、Mo、W、T、V、Nb等元素，能夠和碳形成碳化物因此可以細(xì)化晶粒，提高鋼的韌性，對(duì)降低氫損傷敏感性是有利的。而Mn能夠使臨界斷裂應(yīng)力值降低，故加入鋼中是有害的。
氫損傷的控制措施
① 選用耐氫脆合金 通過(guò)調(diào)節(jié)合金成分和熱處理可獲得耐氫脆的金屬材料。例如最易產(chǎn)生氫脆的材料是高強(qiáng)鋼，在合金中加入鎳或鉬可減小氫脆敏感性，合金中加入Cr、Al、Mo等元素則會(huì)在鋼表面形成致密的保護(hù)膜，阻止氫向鋼內(nèi)擴(kuò)散，加入少量低氫過(guò)電位金屬Pt、Pd和Cu等，能吸附氫原子并很使形成氫分子逸出，加人Ti、B、V和Nb等碳化物穩(wěn)定性元素，將促使鋼中的碳形成穩(wěn)定碳化物，降低鋼中CH4的生成率。采用含Cu的鋼，則在含有H2S水介質(zhì)中形成致密的CuS產(chǎn)物，降低氫誘發(fā)開(kāi)裂傾向。馬氏體鋼對(duì)氫裂特別敏感，如果將馬氏體結(jié)構(gòu)改變?yōu)橹楣怏w結(jié)構(gòu)，則氫裂敏感性降低。碳鋼經(jīng)過(guò)熱處理后生成球化的碳結(jié)構(gòu)，對(duì)氫裂有較高的穩(wěn)定性。
② 添加緩蝕劑或抑制劑 在水溶液中一般采取加入緩蝕劑的方法，抑制鋼中氫的吸收量，減小腐蝕率和氫離子還原速度。例如在酸洗時(shí)，應(yīng)在酸洗液中加入微量錫鹽，由于錫在金屬表面的析出，阻礙了原子氫的生成和滲入金屬。在氣態(tài)氫中，一般加入氧作為抑制劑，由于氧的加入，氧原子優(yōu)先在裂紋尖端吸附，生成了具有保護(hù)性的膜，從而阻止了氫向金屬內(nèi)部的擴(kuò)散。
③ 合理的加工和焊接工藝 可以通過(guò)改善冶煉、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等工藝條件，以減小帶入的氫量。例如工業(yè)上常常采用烘烤除氫的方法恢復(fù)鋼材的力學(xué)性能。采用真空冶煉、真空重熔、真空脫氣、真空澆注等冶金新工藝，提高材質(zhì)，避免氫的帶入，改善高強(qiáng)鋼滯后斷裂的敏感性。焊接時(shí)采用低氫焊條，并保持干燥條件進(jìn)行焊接。電鍍時(shí)使用低氫脆工藝，提高電鍍的電流效率，減少氫的析出，對(duì)高強(qiáng)度鋼采用合金電鍍、離子鍍和真空鍍等。酸洗時(shí)合理選用緩蝕劑、減小腐蝕率。
氫脆的檢測(cè)及預(yù)防
氫脆主要有以下兩種檢測(cè)方法：預(yù)載荷試驗(yàn)平行支承面法和硅油檢測(cè)法。
① 預(yù)載荷試驗(yàn)平面支承面法 預(yù)載荷試驗(yàn)應(yīng)在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具上進(jìn)行。緊固件承受的應(yīng)力應(yīng)在其屈服點(diǎn)以?xún)?nèi) ,或者處在破壞扭矩的范圍內(nèi)。該應(yīng)力或扭矩應(yīng)至少保持 48h以上。每隔 24h應(yīng)將緊固件再擰緊到初始應(yīng)力或扭矩 , 同時(shí)檢查緊固件是否因氫脆已發(fā)生破壞。該試驗(yàn)主要用于緊固件 , 其它零件亦可參考使用 , 具體方法見(jiàn) GB/T 3098.17-2000 《緊固件機(jī)械性能檢查氫脆用預(yù)載荷試驗(yàn)平行支承面法》。
② 硅油檢測(cè)法 用 200#硅油加熱到 200 ℃±10 ℃恒溫 ,慢慢將試樣置入有硅油的容器中 ,5 分鐘后檢查 , 若無(wú)連續(xù)氣泡產(chǎn)生 , 則視為合格。亦有資料建議采取石蠟 （180 ℃±10 ℃ ）或凡士林 （120 ℃±10 ℃ ）替代硅油進(jìn)行檢查。
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信息來(lái)源：《金屬電化學(xué)腐蝕與防護(hù)》、網(wǎng)絡(luò)
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