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σ

th 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。

氢脆的特征

1、延滞断裂

不管是原来钢中含有一定量的氢或是后来由于环境提供的氢，其氢含量并未超过氢的溶解度极限，即氢处于固溶状态时，那么在较低的静载荷作用下，钢将发生低速的应变，最后发生脆断。这种钢在低应力作用后，经过一段孕育期，在内部产生裂纹，这种裂纹在应力作用下进行亚临界扩展，当达到临界裂纹长度时，发生突然脆性断裂。这种断裂称为延滞断裂，如右图所示。

右图所示的延滞断裂应力-时间曲线的形状和含义与一般疲劳的S-N曲线相似，故有时也称为静疲劳曲线。曲线上存在一个上限应力，即正常拉伸速度下得到的断裂应力。若应力超过此上限值，钢立即产生断裂；曲线上也存在一个下限应力，即应力低于此值后，加载时间再长也不发生断裂，该值称为延滞断裂（氢脆）的临界应力，以σHC表示。；在上、下限应力之间，裂纹的孕育期和扩展速度基本相同。

充氢高强度钢在静载作用下延滞断裂应力-时间曲线

2、断裂形态

1）宏观特征

钢出现氢脆时，由于塑性下降，故宏观断口比较齐平，裂纹源大多在表皮下三轴拉应力最大处。对于缺口试样，缺口半径大时，断裂源远离缺口，半径小时，则靠近缺口，如右图所示。

充氢的缺口拉伸试样受静拉力后的纵剖面

2）微观特征

钢的氢脆断口没有固定的微观特征，它与裂纹前沿的应力场强度因子K及充氢浓度C H有关。下图示意地绘出了含氢高强度钢在不同K值下的断裂方式，当K较大时，可以韧窝形式开裂；当K降低时，转变为解理或准解理断裂；当K较小时，才会出现沿晶断裂。

含氢高强度钢在不同应力场强度因子K下的断裂方式

(a)高K值的韧窝断裂；(b)中K值的解理或准解理断裂；(c)低K值的沿晶断裂一般来说，在相同K值下，充氢浓度愈高，倾向于向解理及沿晶断裂方式过渡。此外，氢脆断口的一个重要特征是很少有沿晶的二次裂纹，垂直于主裂纹面作金相检查时，主裂纹两侧一般没有分叉现象。

HIC机制

氢导致氢脆必须有三个步骤：一是氢的进入；二是氢在金属中的迁移；三是氢的局部化。因此氢脆的过程可示意地归结于下图中。

资料指出[1]胡世炎. 机械零件失效分析手册[M] . 成都:四川科技出版社,1987.

,进入金属内部的氢以固溶氢的形式存在,而不再进行任何化学反应,少量的氢就可引起氢脆,对一般中强度钢w (H) 3 ×10- 6 左右、高强度钢w (H) 大于1 ×10- 6 就足以导致氢脆

三种典型的HIC机制

?内压模型

—氢在金属中以分子态析出，产生的压力使金属在内部缺陷处发生弱化导致氢脆。该模型在解释某些合金钢中的白点和焊接冷裂等现象较成功，但不能解释氢致塑性损失和氢致滞后断裂的可逆性。?表面吸附模型

—氢在裂纹面上吸附使表面能降低，从而降低了裂纹扩展时的阻力。该模型对延性很好的金属不适用，因为在延性金属中，裂纹扩展的阻力主要来自于裂纹尖端塑性区的塑性变形功，表面能的贡献很少。

?结合键模型

—氢溶入金属晶格后使原子间结合力降低，使得在较低的应力下原子键断裂，从而使微裂纹易形核、扩展。

3.氢脆试验方法

了解氢渗入金属后引起材料机械性能发生变化的试验方法通常有两种。一种是拉伸试验法，另一种是弯折试验法。

拉伸试验法是将与锅炉热交换管化学成分和金相组织完全相同的钢棒，加工成标准拉伸试样，用材料试验机慢速将试样拉断，测量断口处断面的直径，计算出该试样未受氢影响时的断面收缩率，计算公式如下:

式中:ψ——金属材料的断面收缩率[%]；

D0——标准拉伸试样的直径(试验段)[毫米]；

D1——拉伸后试样断口的直径[毫米]。再将另一些同样的样品放入添加有缓蚀剂的酸溶液中进行腐蚀试验，一般为1～2小时后，取出样品很快洗净、擦干(不得加热)再到材料试验机上以同样的速度将试样拉断，求出在酸液中腐蚀后的试样的断面收缩率。根据试验前后断面收缩率的变化来判断氢脆发生的大小。可以用氢脆系数这一指标来定量表示，氢脆系数是金属在该条件下发生氢脆程度的表征，计算公式如下:

式中:η——氢脆系数[%]；

ψ0——腐蚀试验前样品的断面收缩率[%]；

ψ1——腐蚀试验后样品的断面收缩率[%]。一般，η小于20%，可以认为是安全的，大于20%则被认为有明显氢脆现象发生，数值越大则氢脆现象越严重。这种缓蚀剂的使用就值得慎重考虑。

进行这个实验时必须注意，从酸中取出试样后，要迅速处理，并立即在材料试验机上以慢的速度拉断，中间间隔时间不宜过长。因为渗入金属中的氢是可逆的，这段时间一长，已经渗入金属内部的氢还会跑出，使原来已经变得比较脆的试样还可以得到一定程度上的恢复。如果腐蚀试验后，不能立即进行拉伸时，必须将试样在低温下保存。最好是在-10℃的盐-冰体系中保存，但不能够直接同水接触。

检查氢脆的另一个方法是弯折法。弯折试验是在一个能够将试样固定，并准确向两个方向做180°或90°弯折的机器上进行的。试样的材料一般选用对氢脆更敏感的高强度弹簧钢丝，截成10厘米一段作为实验样品。高强度弹簧钢丝的强度比一般锅炉用钢高许多，在一般情况下，氢脆发生的敏感性是与材料的强度成正比的。如果在钢丝上观察不到氢脆现象的发生，那么对于锅炉用钢则可以认为是安全的，这就是我们选用弹簧钢丝的原因。实验程序同拉伸法基本相同，分别求出在酸中腐蚀和未腐蚀的样品弯断时的弯折次数，根据弯断次数的变化可以判断钢丝发生氢脆的程度，腐蚀后弯断的弯折次数越少，说明氢脆现象越严重，和未腐蚀一样或仅仅减少1～2次，则说明氢脆现象不严重。这种方法是检查缓蚀剂抑制渗氢能力的比较简便的方法。但是，它的精度与重现性比拉伸法要差一些。我们可以用重复多次试验取平均值的方法来克服这一缺点。由于试验简单，重复试验是很容易进行的。