氢脆断口特征
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。
[专题]氢脆的介绍及断口形貌
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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。
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。
螺栓的氢脆断裂分析
螺栓的氢脆断裂氢脆断裂的种类很多，主要分为氢蚀断裂、白点断裂、氢化物致脆断裂和氢致延滞断裂。
螺钉氢脆断裂通常特指是氢致延滞断裂：氢原子侵入螺钉的基体材料，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。
螺钉氢脆断裂是常见的螺钉失效模式。
螺钉氢脆断裂通常发生于经过热处理和电镀处理的高强度普通螺纹螺钉和表面硬度较高的自攻螺纹螺钉，大多发生在螺钉头与螺杆或光杆与螺纹交接的部位。
螺钉氢脆断裂一般在螺钉组装后48小时内发生。
判定螺钉断裂是否为氢脆断裂最直观的方法是观察断口形貌。
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，无明显的塑性变形，断面明显可分成裂纹源区和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，裂纹源区从螺纹的根部开始，沿着螺纹旋转的方向开裂；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，晶粒表面存在大量的鸡爪痕，裂纹扩展区主要呈准解理断裂（在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常沿一定的严格的晶面分离，同时伴随一定的塑性变形痕迹）形貌，部分区域存在韧窝（小凹坑）及沿晶断裂形貌。
螺钉基体材料的氢含量也是判定是否为氢脆断裂的重要依据。
氢含量可用氧氮氢分析仪测得，主要是看含氢量相对于合格的螺钉或电镀处理前的螺钉是否有显著增加。
碳钢材料允许的氢含量尚无严格的标准，但氢对碳钢材料会造成损害是确定无疑的，含氢量的多寡仅表现为对碳钢材料损伤程度的差别。
螺钉的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，其断裂机理一直是学术界的研究热点，但至今还是没有统一的认知。
比较有名的理论有四种：氢压理论、氢表面吸附理论、晶格脆化理论和位错理论。
其中位错理论能相对较好地解释螺钉氢脆断裂的特点，位错理论认为：当温度低于某一临界温度时，基体材料中的氢在基体形变过程中形成某种气团。
第6章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂
6.1 应力腐蚀
一、定义：
应力腐蚀断裂： 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用
下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象， 称为应力腐蚀断裂。
实际服役的零件通常承受的应力水平较低，介质 的腐蚀作用也较弱，它们单独存在时，零件可能 不会失效。但在二者联合作用下，失效则发生。
应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破 坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成 的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有 机理产生的断裂。其断裂强度比单个因素分别作用 后再叠加起来的要低得多。
6.1 应力腐蚀
二、应力腐蚀断裂产生的条件及特征
1、拉应力是产生应力腐蚀断裂的必要条件 拉应力可来自外载（工作应力），也可以来自各 种残余应力，如焊接、冷加工、热处理等引起的 残余应力。
2、产生应力腐蚀的环境总是存在化学介质 介质的腐蚀性一般都很弱，若无拉应力作用，材 料在介质中的腐蚀速度很慢，甚至可在金属表面 形成保护膜而不产生应力腐蚀断裂。只有在介质 与拉应力同时作用下，才产生强烈的应力腐蚀。 而且，产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，即 每种材料只对某些介质敏感，而该介质对其它材 料可能没有明显作用。
3、金属材料中只有合金才产生应力腐蚀，一般纯金 属不会发生应力腐蚀。所有合金对应力腐蚀都有 不同程度的敏感性。
4、应力腐蚀是一种延迟断裂，即在拉应力作用下， 需经一定时间后才产生裂纹和裂纹扩展。
5、应力腐蚀断裂一般是脆性的，不产生宏观塑性变 形。其断口可为沿晶、穿晶和混合型断裂。多数
情况下，以沿晶断裂为主。
一、氢脆的概念
由氢和应力联合作用而使材料产生脆性断 裂的现象谓之氢脆断裂，简称氢脆，亦称氢损 伤。
二、氢脆产生原因
• 氢脆的产生可有多种途径。在应力腐蚀过程 中，除在阳极产生金属溶解外，若同时在阴极 发生 H++eH 的反应生成原子氢，则会使氢 吸附在金属表面。
武汉理工材料学环节断裂——氢脆
5、氢致滞后断裂
在恒载荷(或恒位移)条件下，原子氢 通过应力诱导扩散、富集，到临界值后就 引起氢致裂纹形核、扩展，从而导致低应 力(外加应力低于抗拉强度；对预裂纹试样， 外加应力强度因子KI＜KIC)断裂的现象称 为氢致滞后断裂。
氢压裂纹包括钢中白点、H2S浸泡裂纹、焊接冷裂纹以及高逸度充 氢时产生的微裂纹等。
（1）钢中的白点
钢材剖面酸洗后有时可以看到像头发丝 一样的细长裂纹，其宽度一般约1m，故 也常称为“发裂”。如沿着这些裂纹把试 样打断，在断口上可观察到具有银白色光 泽的椭圆形斑点，故称为“白点”。
(2) H2S诱发裂纹 碳钢或低合金管线钢在H2S溶液中浸泡时，即使不存在
氢降低原子键合力理论认为：当局部应力集中σyy等于 原子键合力σth时，原于键就破裂，从而微裂纹形核。
固溶的原于氢能使原于键合力从σth降为σth(H)。这样， 使氢致微裂纹形核所需的局部应力集中将从σyy＝σth降低为 σyy(H)＝σth(H)。这样一来就会使造成局部应力集中所需的 临界外加应力从σc降为σc(H)，或使临界应力强度因子从KIC 降为KIH。因此，裂纹更容易形成。
问题：
(1)用什么实验能直接证明氢能降低原于 键合力?
(2) 键合力随氢浓度下降的定量表达式；
(3)氢降低键合力和氢促进局部塑性变形 是否有关系。
3、氢降低表面能理论 氢降低表面能理论认为：氢吸附在表面就会使
表面能由 降为 (H)。根据Griffith理论，断裂应 力σs或断裂韧性KIC和 成正比，因而当氢使 下
第06章金属的应力腐蚀和氢脆断裂-材料力学性能
应力腐蚀敏感性最大。
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二、应力腐蚀断裂机理和断口形貌特征
（一）应力腐蚀断裂机理 机理有多种，目前还没有一种理论能够解释所 有的应力腐蚀断裂现象，应力腐蚀断裂最基本的机 理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆
的水平部分所对应的ΚⅠ初值即为材料的ΚⅠscc。
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2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
当应力腐蚀裂纹尖端的 KI>KISCC时，裂纹就会
不断扩展。
单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹 扩展速率，da/dt。
da lg K dt
关系曲线分三个阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或初
始、稳定、失稳），如图6-7所示。
理论。
在此仅介绍两种为多数人接受的应力腐蚀开裂 理论。 1、以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论 如图所示。 （该理论只能很好地解释沿晶断裂
的应力腐蚀）
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2、晶界微电池溶解理论
在 γ 体护环钢的龟裂现象中发现：沉淀于晶界
的碳化物其实为类似珠光体的结构，该结构与介质
形成微电池并迅速溶解，导致脆断。断裂过程分为
第Ⅱ阶段时间越长材料抵抗应力腐蚀性能越好。
由图6-7中第Ⅱ阶段的da/dt—KI两个数值的关系，
可以估算机件的剩余寿命。
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四、防止应力腐蚀的措施
从导致应力腐蚀的三要素（三个条件）下手。 1、合理选择金属材料 根据机件所承受的应力和接触的化学介质，选 用耐应力腐蚀的金属材料（避开灵敏材料）。即选
用KⅠscc较高的合金。
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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。