材料氢脆问题防控专题培训班课程大纲
氢脆的形成以及防护
科技名词定义中文名称：氢脆英文名称：hydrogen embrittlement其他名称：白点定义1：金属由于吸氢引起韧性或延性下降的现象。
所属学科：船舶工程〔一级学科〕；船舶腐蚀与防护〔二级学科〕定义2：钢材在锻炼、加工和使用中溶化于钢中的原子氢，在重新聚合成分子氢时产生的庞大应力超过钢的强度极限时，可以在钢内产生微裂纹，导致材料的韧性或塑性下降的现象。
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，又称白点。
氢脆只可防，不可治。
氢脆一经产生，就排除不了。
在材料的锻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)在内部剩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。
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，使氢随溶化度逐渐变小，逐渐析出。
但加热会破坏镀层，因此热处理的方法对于经过电镀的工件并不适用。
如何防治首先，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，严峻时会导致外表鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物复原。
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复原而生成氢，并溶化在液体金属中。
或设备在电镀或酸洗时，钢外表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汲取进入的，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。
氢脆的原理与预防
去氢处理，也称除氢处理，一般对电镀前后必须进行工序，特别是对高强度高硬度的零件在电镀工艺中。
氢脆的原理与预防在任何电镀溶液中,由于水分子的离解,总或多或少地存在一定数量的氢离子。
因此,电镀过程中,在阴极析出金属(主反应)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,氢脆的影响降低到最低限度。
一、氢脆1氢脆现象氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。
曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件,在装配之后数小时内陆续发生断裂,断裂比例达40%～50%。
某特种产品镀镉件在使用过程中曾出现过批量裂纹断裂,曾组织过全国性攻关,制订严格的去氢工艺。
另外,有一些氢脆并不表现为延迟断裂现象,例如:电镀挂具(钢丝、铜丝)由于经多次电镀和酸洗退镀,渗氢较严重,在使用中经常出现一折便发生脆断的现象;猎枪精锻用的芯棒,经多次镀铬之后,堕地断裂;有的淬火零件(内应力大)在酸洗时便产生裂纹。
这些零件渗氢严重,无需外加应力就产生裂纹,再也无法用去氢来恢复原有的韧性。
2 氢脆机理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。
氢脆原因机理及常见控制手段
一、氢脆产生的机理因热处理、机加工、电镀、电焊、酸洗、磷化、材料腐蚀等因素导致氢原子渗入钢和其他金属如铝、钛合金中，由于在每一个铁离子的立方晶格中只能容纳一个氢原子，所以它虽自由的移动和扩散，但不可能有二个氢原子相遇形成氢分子，但被吸收的氢原子具有向应力集中的部位扩散和移动的能力，这时，如果在应力集中部位由于位错而产生晶格缺陷时，氢原子进入晶格间隙，相互汇合形成氢分子，从而致使钢的组织破坏，形成钢的氢脆。
而由于氢原子向应力集中的部位扩散和积聚需要时间，这就是为何氢脆主要的表现特征为延迟断裂。
二、造成产品氢脆的几大因素1、原材料钢的强度越高越容易导致氢脆。
高强度钢的韧性会随着其强度的增高而下降，因此这种材料对缺口、氢脆以及应力腐蚀很敏感,尤其是氢脆性会使这些材料在其设计载荷能力以下发生破坏。
也就是说材料在渗氢的情况下，在低于其屈服强度的应力条件下，容易发生早期脆性断裂，而且材料强度级别越高，渗氢程度越严重，所受应力越大，氢脆风险性也越大。
美国对氢脆敏感的SAE4340钢做过实验，当其抗拉强度低于1250MPa 时，吸收了1〜IOPPM的氢而不会发生氢脆，但经过热处理后，强度达到1760MPa〜1920MPa时，仅吸收了0.03〜0.05PPM的氢，就会发生显著的氢脆断裂。
而采用抗拉强度小于780MPa的普通钢，即使吸收了10~30PPM的氢，也未发现有氢脆断裂现象。
2、机械加工在电镀前的加工过程中，如轧制成型、机械加工、钻孔、磨削中，由于润滑剂的选用不当造成分解会导致氢渗入金属中。
硬化热处理后经机械加工、磨削、冷成型冷矫直处理的制件对氢脆损伤特别敏感。
同时如在冷轧、冲裁、压弯、磨削等机加工过程中使得零件表面产生加工裂纹，会导致零件裂纹处渗氢后很难经烘烤将氢析出。
同时裂纹处又是应力集中区，很容易造成零件在裂纹处延时断裂。
下图所示为一款65Mn材料的组合螺母，因表面有严重的机加工裂纹，导致在电镀后采用GBT/3098.17进行氢脆测试过程中发生氢脆断裂。
氢脆问题培训
5 70
6 70 7 80 8 85
9 90
10 95 11 100 12 105
34
二 氢脆试验方法
一航材料院
持续载荷试验——快速试验方法
（1）逐步加载试验 分步加载试验的根据是Traiono的试验
图2-20 利用在149℃（300℉）烘烤不同时间所得各种氢浓度下的 持续载荷破断曲线、尖缺口试样、强度水平230ksi，按Traiono 35
Nd
H
氢测定条
NdH2
2H
Nd
H
飞机主起落架装臵（AISI4340) Nd+2H
300℉（149℃），1h
NdH2
测试结果：如果NdH2反应部位是直观（肉眼）可见，局部氢浓度将大于 150ppm；光学显微镜和扫描电镜读数可连续测定从150到1ppm以下（在 1μm的位臵）。光学显微镜到0.01ppm，扫描电镜到0.001ppm。
90%极限抗拉强度下,168h不断为合格。
应力环敏感性试验：
¤ 3个应力环，光亮氰化镀镉，10A/ft2下镀30min，375℉除氢8h， 加载90%σb ，24h内应断裂； ¤ 3个应力环，按DPS9.28松孔镀镉，60A/ft2下镀6min，375℉除氢 23h，加载90%σb ，应该168h不断（ASTM F519规定200h)。 评价： 应力环灵敏度比缺口根部半径为0.003英寸的缺口拉棒试样低；
（1）逐步加载试验
¤ ASTM F519 附录A3 ¤ ASTM F1624 钢的氢脆门槛值 ¤ ASTM F1940 紧固件工艺控制检验
缺口方棒试样 四点弯曲加载
逐渐分步加载
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二 氢脆试验方法
氢脆的原理与预防
去氢处理，也称除氢处理，一般对电镀前后必须进行工序，特别是对高强度高硬度的零件在电镀工艺中。
氢脆的原理与预防在任何电镀溶液中,由于水分子的离解,总或多或少地存在一定数量的氢离子。
因此,电镀过程中,在阴极析出金属(主反应)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,氢脆的影响降低到最低限度。
一、氢脆1氢脆现象氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。
曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件,在装配之后数小时内陆续发生断裂,断裂比例达40%～50%。
某特种产品镀镉件在使用过程中曾出现过批量裂纹断裂,曾组织过全国性攻关,制订严格的去氢工艺。
另外,有一些氢脆并不表现为延迟断裂现象,例如:电镀挂具(钢丝、铜丝)由于经多次电镀和酸洗退镀,渗氢较严重,在使用中经常出现一折便发生脆断的现象;猎枪精锻用的芯棒,经多次镀铬之后,堕地断裂;有的淬火零件(内应力大)在酸洗时便产生裂纹。
这些零件渗氢严重,无需外加应力就产生裂纹,再也无法用去氢来恢复原有的韧性。
2 氢脆机理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。
金属材料氢脆研究及防护措施
金属材料氢脆研究及防护措施氢脆是指金属在使用过程中与氢气发生反应，导致其脆性增加，易于发生裂纹和断裂。
这是金属材料出现的一个严重问题，对于工业生产和使用中的金属材料有很大的不利影响。
氢脆的原因是金属与氢气发生反应，导致氢分子渗透到金属内部，并与金属原子结合成为氢化物，在细小的缺陷处形成高应力区，导致金属发生塑性变形，产生微裂纹，最终导致金属材料的断裂。
为了解决氢脆问题，工业生产中采取了多种措施。
其中最常用的方法是在生产中控制氢气的来源和含量，尽可能降低金属与氢气发生反应的可能性。
此外，在金属材料的加工和使用过程中，需要特别注意减少金属表面裂纹和缺陷的产生，避免强化材料上的应力和变形。
通过这些措施可以有效地预防金属材料的氢脆现象。
除了采取预防措施，科学家们还在积极研究氢脆的成因和防护方法。
他们发现，氢分子与金属原子发生反应时，需要一定的能量才能形成氢化物。
因此，如果能够控制金属表面的能量状态，就有可能避免氢分子与金属原子发生反应，从而防止氢脆现象的产生。
为了实现这一点，研究人员提出了各种抗氢脆防护措施。
其中最常用的方法就是采用钼、铬等金属元素将金属材料的表面覆盖，从而防止氢分子与金属原子直接接触。
另外，还可以采用涂层、膜、纳米材料等方法来包裹金属，形成保护层，隔绝金属与氢分子的接触，从而减少氢脆的发生。
此外，科学家们还在研究新型抗氢脆材料和涂层，以及新的氢脆防护体系。
他们采用分子层析、光学、表面分析等各种技术手段，探索金属和氢气之间的反应机制，开发高效的抗氢脆材料。
同时，他们也在研究氢脆防护系统的优化和改进，以提高其防护性能和可靠性。
总之，氢脆是金属材料在使用过程中面临的一个重要问题。
为了解决这个问题，工业生产研究中采取了多种预防措施，同时科学家们也在积极研究新的抗氢脆材料和防护系统。
这将有助于提高工业生产效率和质量，推动金属材料产业进一步的发展。
[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。
材料腐蚀与防护课程教学大纲
材料腐蚀与防护课程教学大纲2(了解影响析氢腐蚀与吸氧腐蚀的因素《材料腐蚀与防护》课程教学大纲及其控制过程。
3(了解钝化现象、钝化金属的自钝化及钝(06级)化理论。
编号:40083110 五(局部腐蚀英文名称:Material Corrosion and 1(了解局部腐蚀与全面腐蚀的比较。
Protection 2(掌握电偶腐蚀，点蚀，缝隙腐蚀，丝适用专业:金属材料工程状腐蚀，晶间腐蚀，选择性腐蚀的电化学特征责任教学单位:材料系金属材料工程教研及其控制方法室六( 应力作用下的腐蚀总学时:42(其中实验学时2) 1(掌握应力腐蚀与断裂，氢脆和氢损伤学分:3 的产生及其机理，了解其控制方法考核形式:考查 2(了解腐蚀疲劳，磨损腐蚀的概念(机课程类别:专业课理及其控制修读方式:必修七(金属在自然环境中的腐蚀教学目的:本课程是金属材料工程专业一1(掌握大气腐蚀(海水腐蚀机理及其影门应用性较强的专业课程。
主要目的是使学生响因素了解材料发生各种腐蚀的基本规律及作用机2(了解土壤腐蚀机理及其影响因素，了理，掌握材料腐蚀的评价方法(控制原理及防解金属在工业环境中的腐蚀腐技术，并能够结合材料的成分与结构特征，八(高温腐蚀分析耐腐蚀材料的设计及其热处理原理。
1(了解金属高温氧化的热力学和影响金属主要教学内容及要求: 氧化速度的因素一(概论 2(掌握金属氧化膜的特性(金属氧化动力1(了解腐蚀的基本概念、研究材料腐蚀的学意义、腐蚀科学发展概况、腐蚀的分类。
3(了解合金的氧化。
2(掌握材料腐蚀速度的表征方法。
九(金属材料的耐蚀性二(电极电位 1(掌握耐腐蚀合金化原理，1(了解腐蚀过程的热力学判据、腐蚀电2(了解钢铁(不锈钢，铜(铝镍及合金，动序(E,PH图及其应用的耐蚀性2(理解与掌握金属电极电势、标准电极十(腐蚀控制方法电势和金属电动序1(理解和掌握材料选择与结构设计，掌3(了解腐蚀电池的构成及其类型握电化学保护4(电化学腐蚀动力学 2(了解缓蚀剂和表面保护覆盖层三(电化学腐蚀动力学本课程与其他课程的联系与分工:在学习1(理解并掌握腐蚀电池的电极过程:阳极本课程前应先学完《材料科学基础》、《金属材过程、阴极过程料学》、《材料性能学》、《热处理原理与工艺》2(了解腐蚀速度与极化作用，等课程，可为后续的专项实践教学及毕业设计3(理解腐蚀极化图、混合电势理论，掌握和毕业后从事相关工作提供理论基础。
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材料氢脆问题防控专题培训班课程大纲
（一）概论
1．机械零构件的主要失效模式
2．环境断裂历史的简要回顾
3．定义与分类
（二）应力腐蚀开裂(断裂)
1．SCC发生的条件与特征
2．应力腐蚀开裂机理简介
3．预防SCC的途径
4．SCC失效分析案例4.3
（三）氢致开裂
1．引言
2．氢致开裂条件
3．氢致开裂机理简介
4．氢致开裂的特征
5．预防氢致开裂的途径
6．HIC失效分析案例
案例1 飞机起落架上的螺栓断裂失效分析
案例2 55CrSi(SUP12)钢线材在成品盘条
内的断裂失效分析
案例3 圆柱螺旋拉簧镀锌工艺过程中的
断裂失效分析
（四）氢脆概要
1．几个概念
2．钢的强度级别与氢脆敏感性(表1-1)
3．一种钢不同强度水平对氢脆的敏感性(图1-2) 4．氢脆的门槛应力与门槛氢含量的关系(图1-3) 5．减少氢脆危险6．持续载荷试验法（延迟破坏试验）7．可扩散氢测定法
（五）氢脆试验方法
1．持续载荷试验法（延迟破坏试验）2．可扩散氢测定法等
（六）高强度钢低氢脆防护工艺
1.国外高强度钢防护概况
2.国内高强度钢防护现状
3.国外松孔镀镉、氰化镀Cd-Ti
4.国内无氰镀Cd-Ti
5.松孔镀镉与镀Cd-Ti比较
6.其他低脆性防护工艺及其标准
7.关于镀前消除应力与镀后除氢
8.关于镀前清理
9.低氢脆刷镀镉工艺。