第六章-氫脆課件

第六章氫脆6.1氫脆現(xiàn)象與分類6.2氫脆的機理6.3第一類氫脆6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.1氫脆氫脆也稱為氫損傷，它是氫進入材料內(nèi)部而引起材料的塑性下降的現(xiàn)象。氫原子直徑為0.64?。氫在自然界可以離子存在和氫分子存在，即氫氣。在常溫下，氫氣的化學性質是穩(wěn)定的。在高溫下，氫氣是高度活潑的，在點燃或加熱的條件下，氫氣很容易和多種物質發(fā)生化學反應,形成氫的化合物。由于氫的原子小，材料在含氫的環(huán)境中，氫原子很容易進入材料內(nèi)，在一定的條件下產(chǎn)生所謂的氫損傷。氫與金屬的交互作用，可能形成以下幾種狀態(tài)：形成固溶體、氫化物、分子態(tài)氫以及氫與金屬中的第二組元作用生成氣體產(chǎn)物。由于存在的狀態(tài)不同，交互作用的性質不同，引起氫脆的機制也不同，這樣防止氫脆的方法也就不同。

6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.1氫脆

材料氫脆是材料-環(huán)境-力學電化學三方面的因素協(xié)同作用的結果。

在這三個因素疊加的區(qū)域為氫脆的發(fā)生區(qū)。與應力腐蝕開裂不同的是，力學電化學因素，可以是力學的或是電化學的驅動力。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1氫脆現(xiàn)象與分類

6.1.2氫脆的分類1）

內(nèi)氫脆化和環(huán)境氫脆內(nèi)氫脆化:金屬受力前由于經(jīng)過冶煉、焊接、酸洗、電鍍等工藝過程而引進了一定量的氫，受力時由于這種氫引起的氫脆稱為內(nèi)氫脆化

.汽車彈簧、墊圈、螺釘、片簧等鍍鋅件,在裝配之后數(shù)小時內(nèi)陸續(xù)發(fā)生斷裂,斷裂比例達40%～50%;獵槍精鍛用的芯棒,經(jīng)多次鍍鉻之后,墮地斷裂；有的淬火零件(內(nèi)應力大)在酸洗時便產(chǎn)生裂紋。

在尚未出現(xiàn)開裂的情況下可以通過脫氫處理(例如加熱到200℃以上數(shù)小時，可使內(nèi)氫減少)恢復鋼材的性能。因此內(nèi)氫脆在一定的條件下是可逆的。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1氫脆現(xiàn)象與分類

6.1.2氫脆的分類1）

內(nèi)氫脆化和環(huán)境氫脆環(huán)境氫脆:金屬受力前僅含微量的不足以引起氫脆的氫，受力后從環(huán)境中吸入了氫而引起的氫脆稱為環(huán)境氫脆。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.2氫脆的分類2）第一類氫脆和第二類氫脆

按氫與外力作用的關系，將氫脆可分為第一類氫脆和第二類氫脆。第一類氫脆是在受力之前材料內(nèi)部已經(jīng)存在某種氫脆斷裂源，在應力作用下加快了裂紋的形成與擴展，其敏感性隨形變速度的增加而增加，如白點、氫蝕和氫化物氫脆屬這一類，是不可逆的，即通過減少或消除合金的氫不能消除氫脆。

第二類氫脆，是在加負荷之前材料內(nèi)部并不存在斷裂源，而是在應力作用下由于氫與應力的交互作用才形成斷裂源而逐步導致脆斷的，其敏感性隨形變速度的增加而減小。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.3氫脆與應力腐蝕的區(qū)別

氫脆與應力腐蝕有一定的聯(lián)系，由具有很大的區(qū)別，二者的對比列于表1中。這些區(qū)別是在構件或零件失效分析中鑒別斷裂原因的重要依據(jù)。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.4氫陷阱

氫陷阱是指鋼中富集了氫的缺陷的位置。對鋼、鐵材料，氫在其中存在的狀態(tài)主要有固溶于晶格中和富集于氫陷阱中兩種.吸附型陷阱包括應力場、電場、溫度場等造成的氫的富集地；物理陷阱是由位錯、晶界、相界、空位等缺陷造成的氫的富集地。氫與缺陷的結合能Eb是指氫占據(jù)缺陷位置后能量的降低值.6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.5氫的來源

1）冶金過程

在冶煉過程中，原料中所含的水分及爐氣中水分在高溫下分解，分解的氫進入液態(tài)金屬。在冷卻過程中，這些氫不能及時排出來，在金屬中聚集并結合，變成氫氣泡殘留在金屬及合金中。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆

如果將試樣拉斷，通常在斷口上觀察到如魚目狀的一種白色圓形斑點。俗稱“白點”，直徑約為0.5-3mm，白點中心含有微細氣孔或雜質物，對塑性韌性有較大影響。降低冶煉過程中的氫量是防止白點的有效措施。采用低氫冶煉工藝或爐外精煉、真空除氣可獲得潔凈鋼。

6.1.5氫的來源

2）加工過程在焊接、酸洗、電鍍等加工過程中都可能會有氫進入材料。焊接實際上是一個局部冶煉過程，焊接時熔池的溫度高達3000℃，焊條及藥皮中所含的水分很容易分解變成氫原子，進入金屬中。采用低氫焊條并焊前加熱，對工件焊后加熱可使氫含量大大降低，同時能消除焊接產(chǎn)生的內(nèi)應力，避免輕致冷裂紋的發(fā)生。金屬在酸洗過程中，零件表面的氧化皮和酸發(fā)生反應，同時部分金屬也和酸發(fā)生反應，產(chǎn)生的氫會進入金屬。為減輕酸洗引起的氫脆，往往在酸洗液中加入緩蝕劑，阻礙水化氫離子的放電過程，減少氫的產(chǎn)生。電鍍過程中，電鍍液中的水化氫離子的放電過程，也會使氫進入金屬。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.5氫的來源

3）服役過程

很多結構、構件或零件在腐蝕環(huán)境中服役，在服役過程中環(huán)境中的氫也會進入金屬內(nèi)部，是金屬內(nèi)部的氫含量增加。

在含氫氣或H2S氣體的環(huán)境中工作的構件，如石油化工中的反應塔、油氣輸送管道，環(huán)境中的氫會進入材料內(nèi)。構件在水溶液中腐蝕或應力腐蝕時，因陰極的電極反應，還原的氫也會進入金屬。當構件工作在潮濕的空氣環(huán)境中，金屬的腐蝕過程產(chǎn)生氫，也有可能進入金屬，但由于在是在空氣，這種作用一般影響很小。但對一些金屬間化合物，如FeAl、Ni3Si等卻具有明顯的影響，存在明顯的氫脆現(xiàn)象。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.1.5氫的來源

4）實驗室充氫

為模擬實際構件或材料的氫脆，研究氫脆的規(guī)律，往往在實驗室對試樣進行充氫，然后研究氫脆的行為。主要采用氣相充氫和水溶液電解充氫。氣相充氫是將試樣是在高溫高壓或常壓的氫氣中放置一定的時間，氫會進入試樣。6.1氫脆現(xiàn)象與分類

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2氫脆的機理

6.2.1形成氫化物機制1）氫化物機制描述對和氫結合力強的金屬，當氫進入合金在裂紋尖端與金屬組元形成氫化物，則在氫化物脆性相周圍引起了應力集中，從而引起了金屬的脆性。2）解釋現(xiàn)象

純鈦及

鈦合金、鈮等的氫脆屬于形成氫化物機制。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機制1）氫壓機制的描述當金屬的缺陷中或晶格中富集了過飽和的氫時，氫原子結合成氫分子，產(chǎn)生很高的壓力。當氫氣的壓力等于原子的鍵合力，使局部地區(qū)的原子鍵斷裂形成微裂紋、氣泡或孔洞。2）氫損傷過程在含氫氣的環(huán)境中，存在平衡H2?2H。在含有氫離子的電解質溶液中或電解充氫過程中，存在氫在金屬表面的還原反應H++e→H。分解或還原的氫原子進入金屬，其濃度和氫壓成正比：

p為氫的壓力，A為系數(shù)，Q為熱激活能，R為氣體常數(shù)，T為溫度

6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機制2）氫損傷過程

進入金屬中的氫原子在氫陷阱聚集，如空位、位錯、晶界、第二相界面，又會復合成氫氣，2H→H2。

這時，在陷阱處氫氣的壓力p就與濃度CH的平方成正比，。當局部的氫壓等于原子的鍵合力，則使局部地區(qū)的原子鍵斷裂形成微裂紋，在金屬內(nèi)產(chǎn)生不可恢復的氫損傷。6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機制2）氫損傷過程金屬在酸洗、電鍍、電解充氫或H2S溶液浸泡過程中出現(xiàn)的氫致開裂或氫鼓泡。

6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機制2）氫損傷過程淬回火的高強度緊固螺栓在電鍍后發(fā)現(xiàn)的氫致開裂斷口，開裂的部位在螺栓截面變化處，打斷螺栓其微觀斷口為典型的沿晶開裂.6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.2氫壓機制2）氫損傷過程

對低強度的金屬，氫聚合成氫氣，所產(chǎn)生的氫壓超過金屬的屈服強度，氣泡周圍產(chǎn)生塑性變形，在表面形成氫鼓泡。

氫致開裂、氫鼓泡、白點是在不存在外應力的情況下發(fā)生。當局部的氫壓足夠大時，不需要外部的應力，也會成氫脆現(xiàn)象。當存在外應力及內(nèi)應力,對氫壓裂紋的形核具有一定的促進作用。3）解釋現(xiàn)象

各種不可逆氫損傷，如鋼中的白點，H2S誘發(fā)裂紋、焊接冷裂紋以及充氫時產(chǎn)生的氫鼓泡和裂紋，可用氫壓理論來解釋。

6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.3吸附機制1）吸附機制的描述金屬表面吸附了氫后，降低了表面自由能，從而降低了開裂功，促進了微裂紋的形成和擴展，便產(chǎn)生了氫脆。2）吸附機制的過程根據(jù)Griffith理論，脆性材料斷裂的臨界應力當氫吸附在表面，使得表面能由γ降低到γH,必然使材料的臨界斷裂應力σc由降低到σcH

，或應力強度因子KIC從下降到KIH

6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.3吸附機制

對金屬材料來說，斷裂時裂紋尖端存在塑性變形，斷裂吸收塑性變形功。當塑性變形功遠大于表面能時，氫對和的影響不明顯。3）解釋現(xiàn)象這一機制是十分脆材料的主要氫脆機制。

6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.4晶格弱化機制1）晶格弱化機制的描述當氫進入金屬中，固溶的氫使晶格膨脹，導致原子的鍵合力下降，使得晶格弱化，在比較低的外力作用下便使材料開裂，從而產(chǎn)生氫脆。2）損傷過程

根據(jù)斷裂力學，當材料局部的應力集中等于原子的鍵合力，原子鍵就斷裂，從而形成微裂紋。

當金屬中存在固溶的氫時，氫原子能使原子的鍵合力下降，這樣金屬發(fā)生斷裂所需要的外力下降，則局部應力集中所需的臨界應力從沒有氫脆時的σc下降到σcH，或應力強度因子KIC從下降到KIH

。6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.4晶格弱化機制對光滑試樣，氫致臨界斷裂應力σcH和試樣中的平均氫含量有關:當外應力σ等于σcH，微裂紋形核對裂紋試樣，由斷裂力學應力轉換為裂紋尖端的應力強度因子：

則當外應力決定的KI等于KIH微裂紋形核。試樣中的氫含量越高，氫致微裂紋形核所需要的KI就越低。在這種情況下，氫脆降低裂紋試樣的斷裂韌性。6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.4晶格弱化機制

關于弱鍵理論的物理本質并不十分清楚，但已經(jīng)被廣泛接受。一般認為，H的1s電子進入過渡金屬中沒有填滿的d帶，從而使d帶電子密度升高，同時也使d帶和s帶重疊部分的電子密度升高。

對過渡金屬，原子間的排斥力隨d帶和s帶重疊部分電子密度的升高而升高，氫使過渡金屬排斥力升高，相當于降低了原子的鍵合力。

6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.4晶格弱化機制

3）解釋現(xiàn)象

按照氫脆的定義，它是氫進入材料內(nèi)部而引起材料的塑性下降的現(xiàn)象。對一些氫脆過程，如果金屬的斷裂應力或斷裂的臨界應力強度因子下降，均可用晶格弱化機制。如高韌性鋼在預充氫后進行緩慢的拉伸，或在含氫溶液中的緩慢拉伸，后者通常稱為動態(tài)充氫，是緩慢增長的應力和充氫同時作用。應該指出，氫進入金屬晶格作為間隙原子存在，同樣具有固溶強化的作用，所以在很多實驗中發(fā)現(xiàn)，對光滑試樣預充氫后緩慢拉伸，金屬的強度有所增加，但塑性也有所降低，這并不是氫脆現(xiàn)象。6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進局部塑性變形機制

1）氫促進局部塑性變形的描述進入金屬中的氫，促進位錯的發(fā)射和運動，即局部塑性變形，位錯啟動所需的外應力下降。

當局部塑性變形發(fā)展到臨界條件，金屬局部地方的應力集中等于被氫降低了的原子鍵合力，從而導致微裂紋在應力集中處形核，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進局部塑性變形機制2）氫促進局部塑性變形的過程由于韌性材料在斷裂前多多少少要發(fā)生一定量的塑性變形，在裂紋尖端則可能發(fā)生比較多的局部位錯發(fā)送和運動。當氫進入金屬，氫會促進這一過程。由于氫的促進作用，含氫試樣比空氣中拉伸時具有更低的外應力就可促進局部的塑性變形，當塑性變形發(fā)展到臨界條件，使得局部的應力集中σy等于被氫降低了的原子鍵合力σcH

，從而導致氫致微裂紋在應力集中處形核。裂紋形核后，氫原子進入微裂紋復合成氫氣產(chǎn)生氫壓，使裂紋穩(wěn)定化，同時也能協(xié)助局部應力使之解理擴展。所以，氫促進局部塑性變形機制同時考慮了氫促進局部塑性變形，氫原子降低原子鍵合力以及氫壓的作用，是比較完善的氫脆新機理。6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進局部塑性變形機制

2）氫促進局部塑性變形的過程根據(jù)位錯在滑移面障礙前的最大應力集中考慮摩擦阻力τi

，位錯塞積群前端的最大正應力為當外加應力τa增大至臨界值τc以致使P點處（R=c，

=70.5°）的等于原子鍵合力σc時，就會產(chǎn)生一個長為c的微裂紋，則σmax達到原子的鍵合力σc

,則有如果存在氫，則氫在位錯線上產(chǎn)生一個附加的應力τH作用在帶H的位錯線上，它協(xié)助外力促進位錯的運動，有H存在時作用在位錯線上的合力為：式中,k為系數(shù),k>1。則含氫時位錯塞積群前端的最大正應力為：6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進局部塑性變形機制2）氫促進局部塑性變形的過程

同理，在臨界條件下，σmax達到了氫降低原子的鍵合力σcH,外力τa也達到了氫降低了的臨界切應力τc(H)，則有氫脆時原子的鍵合力為：同樣的方法，可對裂紋建立類似的關系。6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.2.5氫促進局部塑性變形機制

6.2氫脆的機理

材料的斷裂與控制第6章氫脆3）解釋現(xiàn)象從定性上，氫促進局部塑性變形機制包括氫促進局部塑性變形、氫原子降低原子鍵合力理論以及氫壓理論，它可以解釋大多數(shù)的氫脆現(xiàn)象，但定量的處理還是比較困難。小結材料的斷裂與控制第6章氫脆氫脆概念

原因分類內(nèi)氫脆化環(huán)境氫脆

第一類氫脆第二類氫脆氫的來源氫化物機制氫壓機制吸附機制晶格弱化機制氫促進局部塑性變形6.3第一類氫脆

第一類氫脆是在受力之前材料內(nèi)部已經(jīng)存在某種氫脆斷裂源，在應力作用下加快了裂紋的形成與擴展，其敏感性隨形變速度的增加而增加。常見的氫脆：氫蝕和氫化物氫脆。

6.3.1氫蝕

石油工業(yè)經(jīng)常需要在高溫高壓下加氫裂化。碳鋼在300～500℃溫度范圍內(nèi)，由于高壓氫氣與鋼中的碳作用會生成高壓的CH4氣泡。CH4氣泡在晶界達到一定密度后即可使材料脆化，這種現(xiàn)象叫氫蝕。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3第一類氫脆6.3.1氫蝕

碳鋼在700KSi（4826.5MPa）氫壓下，于不同溫度經(jīng)過一定時間后，塑性就急劇降低，顯示脆化的情況。這里存在著明顯的脆化孕育期，這是因為CH4氣泡的形核與長大需要經(jīng)過一定時間方能達到臨界密度。

材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.1氫蝕氫蝕的脆化過程大致可分為以下幾個步驟：①滲碳體的分解

Fe3C→3Fe+〔C〕；②碳擴散進入氣泡；③生成甲烷〔C〕+4H→CH4；④鐵原子由CH4氣泡附近擴散出來。

6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.1氫蝕由氫蝕過程可知，鋼中碳量的降低將有利于減緩氫蝕。因為CH4氣泡的長大決定于碳的供應。而低碳鋼的碳分顯然要少些；

又因為CH4氣泡的成核必須依附于鋼中的夾雜物或第二相，用Al脫氧的鋼一般在晶界上形成很多細小的夾雜物，為CH4的氣泡成核創(chuàng)造了條件，容易使CH4氣泡達到上述臨界密度，所以氫蝕的孕育期也要短些；碳鋼經(jīng)球化處理，滲碳體成球狀，表面積減少，CH4氣泡就較難達到臨界數(shù)值，這樣必然使孕育期延長.6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.1氫蝕在氫氣環(huán)境中，當氫的分壓小于某一臨界值或環(huán)境溫度小于某一臨界溫度，氫蝕就不會產(chǎn)生。每種鋼曲線的上方為氫蝕的危險區(qū)，曲線下方為安全區(qū)，可根據(jù)圖粗略判斷鋼材在特定的使用溫度和壓力下的危險性。由圖可見，降低鋼的含碳量以及加入Cr、Mo、Ti、V等合金元素能改善鋼抗氫蝕的能力。

綜上所述，為了提高石油工業(yè)中高壓加氫容器的使用壽命，減緩氫蝕，宜采用低碳鋼，球化處理，鋼液不宜采用Al脫氧，應盡可能加入少量的Ti、V等合金元素。

6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.2氫化物氫脆

氫化物氫脆主要存在于純鈦及α-Ti鈦合金中。因氫在中溶解度很小，鈦與氫又有較大的化學親和力，容易生成氫化鈦，引起氫脆。氫在β-Ti中溶解度較高，故很少遇到這種脆性。氫化物氫脆有以下特點：1）氫化物氫脆的敏感性隨溫度下降而降低及試樣的有缺口而增大。對斷口的研究表明，裂紋是沿氫化物與基體金屬的交界面發(fā)生，因為這里二相的結合較弱，二者的彈性塑性有較大差異，在外力作用下易造成脆斷。

6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.3.2氫化物氫脆2）氫化物氫脆只有在高速變形（如沖擊試驗）時才表現(xiàn)出來。有人解釋這是由于氫化鈦雖是一脆性相，但仍有一定塑性，在低速變形時，氫化物可與基體一起變形，使應力得到松弛，故可不顯示脆性。3）氫化物形態(tài)和分布對脆性影響顯著。

由于氫化物的析出又與基體金屬的晶粒大小及冷卻速度有密切關系。如在細晶粒組織中，氫化物都是沿晶界析出，而且多半呈塊狀不連續(xù)的沉淀相，因此氫脆不明顯。但在粗大晶粒和氫含量又較高的鈦合金中，氫化物沿晶界呈連續(xù)的薄片狀分布，應力集中較大，故脆性明顯。

6.3第一類氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4環(huán)境氫脆

環(huán)境氫脆是金屬材料在應力及氫氣氣氛或其它含氫介質的聯(lián)合作用下所引起的脆性斷裂。幾年來，人們越來越重視環(huán)境氫脆，這與技術發(fā)展有密切關系。例如，宇航火箭工業(yè)常把氫作為能源，這就產(chǎn)生了貯氫的高壓溶液材料問題。此外天然氣及石油的開發(fā)，煤的氣化，海洋的開發(fā)，都需要金屬材料與含氫介質直接接觸。環(huán)境介質除氫以外，還有H2S，H2O，各種碳氫化合物以及各種水溶液。廣義的環(huán)境氫脆也就包括各種水溶液的應力腐蝕。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4環(huán)境氫脆6.4.1氫致開裂過程

氫致開裂又叫氫致延遲開裂。通常指金屬在氫和應力的共同作用下經(jīng)歷了裂紋的萌生、擴展到斷裂過程的現(xiàn)象。當材料中含有一定量的固溶氫或將試件放置在含氫的環(huán)境中施加載荷，其應力往往小于材料屈服強度，經(jīng)過一定的時間后，在材料內(nèi)部的三向拉應力區(qū)將出現(xiàn)裂紋，并逐步擴展最終導致試樣斷裂。

由于材料承受的應力低于其屈服強度，試樣斷裂的斷口沒有明顯的塑性變形，它是一種低應力脆斷。材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開裂過程

光滑試樣（或裂紋試樣）的氫致延遲開裂的應力（應力強度因子）與斷裂時間的關系如圖所示，與應力腐蝕的情況類似。

氫致延遲開裂也包括孕育期、裂紋穩(wěn)定擴展和快速擴展三個階段。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆

當外應力超過氫脆的臨界應力σcH時，所施加的應力越大，孕育期越短，裂紋傳播速率就越快，斷裂時間就會越短。材料發(fā)生氫致延遲斷裂時，除塑性有明顯的降低外，其它的常規(guī)力學性能往往沒有發(fā)生異常變化。工程上的氫脆很大一部分屬于這一類。如果是斷裂力學試樣，氫致延遲斷裂則沒有裂紋孕育期，也存在一個氫脆的臨界應力強度因子

KIH6.4.1氫致開裂過程

氫致延遲開裂具有以下特點：1）氫致延遲開裂在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，氫脆的溫度范圍取決于合金的成分及變形速率。高強度鋼的敏感溫度范圍在-100～150℃；2）材料的氫致延遲開裂傾向隨著變形速率的增加而降低。在形變速率大于某一臨界值后，則氫脆表現(xiàn)不出來，因此只有在慢速加載試驗中才能呈現(xiàn)氫脆見圖6-9，如高韌性的管線鋼通常采用慢應變速率加載；3）可逆性，在靜加載或慢應變速率加載，只要沒有超過孕育期，沒有產(chǎn)生氫致微裂紋，試樣在卸載停留一段時間或試樣加熱除氫，其氫脆便消除。

v1<v2<v3<v4

6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開裂過程

對低強度鋼，為了加速氫脆，往往采用缺口試樣，則孕育期大大縮短，這時裂紋是從缺口根部形成。環(huán)境氫的氫致開裂過程經(jīng)歷了環(huán)境氫向金屬缺口根部表面遷移；與金屬表面接觸后發(fā)生物理、化學吸附并進入金屬體內(nèi)；以及裂紋的萌生與擴展過程。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開裂過程

裂紋的萌生與擴展過程如下：金屬應力集中區(qū)（如缺口根部）構成了氫的吸附型陷阱，同時區(qū)內(nèi)又有晶界、相界面等物理陷阱；陷阱附近可動位錯攜同進入金屬中氫向陷阱遷移，當位錯遇到如晶界、相界面一類強陷阱后，位錯運動受阻，并把其攜帶的氫泄于這些強陷阱中，因而強陷阱中的氫不斷富集，使得陷阱周圍晶格結合力不斷降低；當陷阱中的氫達到所謂臨界濃度時，它周圍晶格的結合力已降到小于其能承受的外力作用，于是應力集中區(qū)某一個或幾個陷阱處萌生了裂紋。萌生裂紋前沿的強陷阱不斷地捕獲位錯攜帶來的氫。當其中富集的氫濃度達到臨界濃度時，沿陷阱出現(xiàn)小裂紋；小裂紋與原來的主裂紋連接，使主裂紋不斷擴展。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開裂過程

所以，在金屬中氫致裂紋往往具有跳躍式擴展的特點，如圖所示。

隨著裂紋的擴展，金屬的承載面積減小。當該面積減小到其上承受的應力大于該金屬的斷裂強度時，金屬發(fā)生斷裂。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開裂過程

氫致裂紋擴展速率（da/dt）和裂紋尖端應力強度因子KI的關系呈現(xiàn)3個階段（圖6-11示）。第I階段受力學因素和介質因素的共同控制；第II階段基本上與力學因素無關，只受介質因素的控制；第III階段基本上僅與力學因素有關,與應力腐蝕的情況類似。圖中的KIH是氫致開裂臨界應力強度因子，若裂尖應力強度因子小于KIH

，裂紋不擴展。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開裂過程

介質因素對裂紋擴展的影響體現(xiàn)在氫致開裂的歷程中。在氣體介質中，如前所述經(jīng)歷了環(huán)境氫向金屬表面擴散、氫于金屬表面發(fā)生物理吸附、化學吸附、滲入金屬體內(nèi)、向氫脆源擴散5個步驟。在液相介質中，至少還要經(jīng)歷水化氫離子的擴散、脫水等步驟。氫致開裂的裂紋擴展速率受這些步驟中最慢的步驟控制，這一步驟就是裂紋擴展的控制步驟。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.1氫致開裂過程

在不同體系中裂紋擴展的控制步驟不同。如回火馬氏體態(tài)的AlSl4340鋼在氫、水中的氫致開裂的裂紋擴展的控制步驟具有下述的三種情況：

6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆當鋼置于壓力為2.66KPa的硫化氫中時，由da/dt-1/T關系曲線（圖1線）的直線部分斜率得裂紋擴展激活能為4.6KJ/mol，該值與氫在中的擴散激活能值相吻合，所以，鋼在壓力為2.66KPa的硫化氫中氫致裂紋擴展的控制步驟是氫在鋼中的擴散；6.4.1氫致開裂過程

當鋼置于壓力為0.133KPa的硫化氫中時，無熱激活現(xiàn)象，da/dt-1/T（圖中2線），所以在這種條件下氫致裂紋擴展的控制步驟是氣體氫向鋼表面的擴散；

6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆當鋼置于壓力為133KPa的氫氣中時，裂紋擴展激活能為14.7KJ/mol（圖中3線），該值與鋼-氫表面化學反應時的激活能接近，所以在這種條件下氫致裂紋擴展的控制步驟為鋼-氫的表面化學吸附反應；6.4.1氫致開裂過程

當鋼置于水中時，裂紋擴展激活能為33.5KJ/mol（圖4線），鋼-蒸餾水表面化學反應的激活能與該值十分接近，所以鋼置于水中時的氫致裂紋擴展控制步驟也是化學吸附反應。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.2氫對鋼力學性能的影響及氫脆的評定指標

鋼中的氫對鋼的強度、塑性、斷裂性能等都有影響。但鋼的強度水平不同，氫對這些性能影響的程度和方式也不同。表6-3匯總了氫對鋼力學性能的一般影響。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.2氫對鋼力學性能的影響及氫脆的評定指標

氫能降低鋼的強度、塑性等性能指標。工程技術界就是利用氫使這些指標的減少程度來評定金屬的氫脆程度。常用的評定指標有氫脆指數(shù)（I）或氫脆敏感系數(shù)（α）。I和α分別為：

在研究低強度鋼的氫脆傾向時，往往在含氫介質中以光滑試樣采用慢應變速率拉伸試驗確定斷面收縮率的變化。

在研究高強度的氫脆傾向時，往往將缺口或預制裂紋的試樣在恒載荷下浸入含氧介質中，確定應力-壽命關系或氫致開裂臨界應力強度因子KIH。6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.3

影響鋼氫脆的因素

氫脆是一個復雜的物理、化學、力學過程，影響因素也很復雜。這里主要討論溫度、應變速率、氫壓、致氫脆介質、冶金因素等對鋼氫脆傾向的影響。

6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.3

影響鋼氫脆的因素

1）外部因素溫度的影響：

氫在鋼表面的吸附作用、氫在鋼中的擴散能力和方式、氫在鋼中存在的狀態(tài)及氫致開裂的過程等都對鋼的氫脆傾向有影響，而這些又都是溫度的函數(shù)，所以溫度是影響氫脆程度的重要因素。實驗表明，氫脆往往發(fā)生在+100℃～-100℃溫度范圍內(nèi)，并且在室溫附近氫脆傾向最大。溫度對氫脆的下述影響是由于：當溫度高于200℃時，氫在鐵中的溶解急劇上升，不容易出現(xiàn)氫脆；當溫度太低時，氫和位錯的運動能力太低，氫不容易于陷阱中富集；當溫度在±100℃之間時，氫容易于陷阱中富集，并且在室溫附近表面化學吸附速率最高.6.4環(huán)境氫脆材料的斷裂與控制第6章氫脆6.4.3

影響鋼氫脆的因素

1）外部因素應變速率的影響：隨著應變速率的增加，第一類氫脆傾向也增加，但是第二類氫脆傾向并不增加。實驗表明，當應變速率低于3*10-2S-1時，鋼在含氫介質中出現(xiàn)第二類氫脆的傾向最大。由于第二類氫脆是在力的作用下氫擴散至陷阱中而引起的。在力的作用下，氫于鋼中的擴散主要借助于位錯的運動來完成，顯然只有位錯的運動速度與氫的運動速度大致合拍時，位錯才能攜同氫進行擴散。因