氫脆理論分析

1、HIC的類型1、氫氣壓力引起的開裂溶解在材料中的H在某些缺陷部位析出氣態(tài)氫 H2 （或與氫有關(guān)的其它氣體），當H2的壓力大丁材料的屈服強度時產(chǎn)生局部塑性變形，當H2的壓力大丁原子問結(jié)合力時就會產(chǎn)生局部開裂。某些鋼材在表面酸洗后能看到象頭發(fā)絲一樣的裂紋，在 斷口上則觀察到銀白色橢圓形斑點，稱為 白點。白點的形成是氫氣壓力造成的。鋼的化學成分和組織結(jié)構(gòu)對白點形成有很大影 響，奧氏體鋼對白點不敏感；合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼中容易形成白點。鋼中存在 內(nèi)應(yīng)力時會加劇白點傾向。焊接件冷卻后有時也能觀察到氫致裂紋。焊接是局部冶煉過程，潮濕的焊條及 大氣中的水分會促進氫進入焊接熔池，隨后冷卻時可能在焊肉中析出氣

2、態(tài)氫，導(dǎo)致 微裂紋。焊接前烘烤焊條就是為了防止氫致裂紋 。2、氫化物脆化許多金屆（如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、稀土等）能夠形成穩(wěn)定的氫化物。氫化 物屆丁一種脆性相，金屆中析出較多的氫化物會導(dǎo)致韌性降低，引起脆化。3、氫致滯后斷裂材料受到載荷作用時，原子氫 H向拉應(yīng)力高的部位擴散形成H富集區(qū)。當H的富 集達到臨界值時就引起氫致裂紋形核和擴展，導(dǎo)致斷裂。由丁H的擴散需要一定的時間，加載 后要經(jīng)過一定的時間才斷裂，所以稱為氫致滯后斷裂。氫致滯后斷裂的外應(yīng)力低丁正常的抗拉強度，裂紋試件中外加應(yīng)力場強度因子 也小丁斷裂韌度。氫致滯后斷裂是可逆的，除去材料中的氫就不會發(fā)生滯后斷裂。即使在均勻的單向

3、外加應(yīng)力下，材料中的火雜和第二相等結(jié)構(gòu)不均勻處也會產(chǎn)生應(yīng)C = CH expWhk RT力集中，導(dǎo)致氫的富集。應(yīng)力集中處的氫濃度為:設(shè)應(yīng)力集中系數(shù)為a ,則b h =a b式中，Ch一合金中的平均氫濃度；vh一氫在該合金中的偏摩爾體積（包溫、包壓 下加入1摩爾氫所引起的金屆體積的變化）。若氫的濃度達到臨界值Cth時斷裂，對應(yīng)的外應(yīng)力即為氫致滯后斷裂的門檻應(yīng) 力。th,即：RT 一 .一、。比=（lnCth lnCH ）出bth,即使經(jīng)過長時間擴散也達不到臨界氫濃度，不會發(fā)生氫致滯后斷裂；?若b>bth，經(jīng)過時間tf后，發(fā)生斷裂，且應(yīng)力越大，滯后斷裂時間越短。氫脆的特征1、延滯斷裂不管是原

4、來鋼中含有一定量的氫或是后來由丁環(huán)境提供的氫，其氫含量并未超過氫 的溶解度極限，即氫處丁固溶狀態(tài)時，那么在較低的靜載荷作用下，鋼將發(fā)生低速 的應(yīng)變，最后發(fā)生脆斷。這種鋼在低應(yīng)力作用后，經(jīng)過一段孕育期，在內(nèi)部產(chǎn)生裂 紋，這種裂紋在應(yīng)力作用下進行業(yè)臨界擴展，當達到臨界裂紋長度時，發(fā)生突然脆 性斷裂。這種斷裂稱為延滯斷裂，如右圖所示。右圖所示的延滯斷裂應(yīng)力-時間曲線的形狀和含義與一般疲勞的 S-N曲線相似，故 有時也稱為靜疲勞曲線。曲線上存在一個上限應(yīng)力，即正常拉伸速度下得到的斷裂 應(yīng)力。若應(yīng)力超過此上限值，鋼立即產(chǎn)生斷裂；曲線上也存在一個下限應(yīng)力，即應(yīng) 力低丁此值后，加載時間再長也不發(fā)生斷裂，該值

5、稱為延滯斷裂（氫脆）的臨界應(yīng) 力,以。HC表示。；在上、下限應(yīng)力之間，裂紋的孕育期和擴展速度基本相同。充氫高強度鋼在靜載作用下延滯斷裂應(yīng)力-時間曲線2、斷裂形態(tài)1）宏觀特征鋼出現(xiàn)氫脆時，由于塑性下降，故宏觀斷口比較齊平，裂紋源大多在 表皮下三軸拉應(yīng)力最大處。對于缺口試樣，缺口半徑大時，斷裂源遠 離缺口，半徑小時，則靠近缺口，如右圖所示。RO.OOlinRlkOlin充氫的缺口拉伸試樣受靜拉力后的縱剖面2)微觀特征鋼的氫脆斷口沒有固定的微觀特征，它與裂紋前沿的應(yīng)力場強度因子K及充氫濃度CH有關(guān)。下圖示意地繪出了含氫高強度鋼在不同 K值下的斷裂方式，當K較 大時，可以韌窩形式開裂；當 K降低時，轉(zhuǎn)

6、變?yōu)榻饫砘驕式饫頂嗔眩划?K較小 時，才會出現(xiàn)沿晶斷裂。網(wǎng)(b*(C)含氫高強度鋼在不同應(yīng)力場強度因子 K下的斷裂方式(a)高K值的韌窩斷裂；(b)中K值的解理或準解理斷裂；(c)低K值的沿晶斷裂 一般來說，在相同K值下，充氫濃度愈高，傾向丁向解理及沿晶斷裂方式過渡。此外，氫脆斷口的一個重要特征是很少有沿晶的二次裂紋，垂直丁主裂紋面作金相 檢查時，主裂紋兩側(cè)一般沒有分義現(xiàn)象。HIC機制氫導(dǎo)致氫脆必須有三個步驟：一是 氫的進入；二是氫在金屬中的遷移；三是氫的局部化。因此氫脆 的過程可示意地歸結(jié)于下圖中。資料指出1胡世炎.機械零件失效分析手冊M.成都:四川科技出版社,1987.，進入金屆內(nèi)部的氫以

7、固溶氫的形式存在，而不再進行任何化學反應(yīng)，少量的氫就可 引起氫脆，對一般中強度鋼w (H) 3 X 10- 6左右、高強度鋼w (H)大于1 X 10- 6就足 以導(dǎo)致氫脆三種典型的HIC機制孫壓模型一氫在金屬中以分子態(tài)析出，產(chǎn)生的壓力使金屬在內(nèi)部缺陷處發(fā)生弱化導(dǎo)致氫脆。該模型在解釋某 些合金鋼中的白點和焊接冷裂等現(xiàn)象較成功，但不能解釋氫致塑性損失和氫致滯后斷裂的可逆性。&面吸附模型一氫在裂紋面上吸附使表面能降低，從而降低了裂紋擴展時的阻力。該模型對延性很好的金屬不適 用，因為在延性金屬中，裂紋擴展的阻力主要來自于裂紋尖端塑性區(qū)的塑性變形功，表面能的貢獻 很少。?吉合鍵模型一氫溶入金屬

8、晶格后使原子間結(jié)合力降低，使得在較低的應(yīng)力下原子鍵斷裂，從而使微裂紋易形 核、擴展。3.氫脆試驗方法了解氫滲入金屬后引起材料機械性能發(fā)生變化的試驗方法通常有兩種。一種是拉伸試驗 法，另一種是彎折試驗法。拉伸試驗法是將與鍋爐熱交換管化學成分和金相組織完全相同的鋼棒，加工成標準拉伸試 樣，用材料試驗機慢速將試樣拉斷，測量斷口處斷面的直徑，計算出該試樣未受氫影響時的斷 面收縮率，計算公式如下：式中：p 屬材料的斷面收縮率%;D0標準拉伸試樣的直徑(試驗段)毫米;Di拉伸后試樣斷口的直徑毫米。再將另一些同樣的樣品放入添加有緩蝕劑的酸溶液 中進行腐蝕試驗，一般為 12小時后，取出樣品很快洗凈、擦干(不得

9、加熱)再到材料試驗機上以同樣的速度將試樣拉斷，求出在酸液中腐蝕后的試樣的斷面收縮率。根據(jù)試驗前后斷面收縮 率的變化來判斷氫脆發(fā)生的大小。可以用氫脆系數(shù)這一指標來定量表示，氫脆系數(shù)是金屬在該 條件下發(fā)生氫脆程度的表征，計算公式如下：式中：門一-脆系數(shù)%;時一一腐蝕試驗前樣品的斷面收縮率 %;由一一腐蝕試驗后樣品的斷面收縮率 %。一般，門小于20%,可以認為是安全的，大于 20%則被認為有明顯氫脆現(xiàn)象發(fā)生，數(shù)值越大則氫脆現(xiàn)象越嚴重。這種緩蝕劑的使用就值得慎 重考慮。進行這個實驗時必須注意，從酸中取出試樣后，要迅速處理，并立即在材料試驗機上以慢 的速度拉斷，中間間隔時間不宜過長。因為滲入金屬中的氫是

10、可逆的，這段時間一長，已經(jīng)滲 入金屬內(nèi)部的氫還會跑出，使原來已經(jīng)變得比較脆的試樣還可以得到一定程度上的恢復(fù)。如果 腐蝕試驗后，不能立即進行拉伸時，必須將試樣在低溫下保存。最好是在-10 C的鹽-冰體系中保存，但不能夠直接同水接觸。檢查氫脆的另一個方法是彎折法。彎折試驗是在一個能夠?qū)⒃嚇庸潭?，并準確向兩個方向 做180°或90。彎折的機器上進行的。試樣的材料一般選用對氫脆更敏感的高強度彈簧鋼絲，截 成10厘米一段作為實驗樣品。高強度彈簧鋼絲的強度比一般鍋爐用鋼高許多，在一般情況 下，氫脆發(fā)生的敏感性是與材料的強度成正比的。如果在鋼絲上觀察不到氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，那 么對于鍋爐用鋼則可以認為是安全的，這就是我們選用彈簧鋼絲的原因。實驗程序同拉伸法基 本相同，分別求出在酸中腐蝕和未腐蝕的樣品彎斷時的彎折次數(shù)，根據(jù)彎斷次