臨氫材料的脆性和適用性

臨氫材料的脆性和適用性材料選擇氫系統(tǒng)通常涉及各種材料，包括金屬和非金屬（如聚合物）。應評估所涉及的每種材料（例如，閥座、密封件、粘合劑、潤滑劑、電氣絕緣、彈簧、螺栓和管道）在設(shè)計、操作和緊急情況下的使用情況。在選擇氫氣系統(tǒng)的材料時，應需要考慮以下因素：與氫的相容性（包括氫脆、氫侵蝕、滲透和擴散等）；與相鄰材料的兼容性（例如，溫度和壓力變化下的匹配性能，以及對材料形狀和尺寸的影響）；與使用條件的兼容性（例如，溫度和壓力對延展性和膨脹/收縮的影響；與操作條件變化相關(guān)的性能變化）；與周圍環(huán)境或暴露的兼容性（例如腐蝕性環(huán)境、氫氣火災或附近材料火災的高溫環(huán)境）；失效模式（例如，脆性快速斷裂與延性緩慢分離）；材料的加工性能（例如，加工、焊接和彎曲等）；經(jīng)濟性；可利用性。氫脆氫脆是暴露在氫氣中的金屬的一個嚴重問題，氫脆會導致金屬機械性能的顯著惡化。氫脆涉及環(huán)境溫度和壓力等大量變量；氫氣的純度、濃度和暴露時間；以及材料中任何裂紋前緣的應力狀態(tài)、物理和機械性能、微觀結(jié)構(gòu)、表面狀況和性質(zhì)。表A.1總結(jié)了一些常用金屬的氫脆敏感性。一些常用金屬的氫脆敏感性金屬材料極度脆化嚴重脆化有點脆可忽略的脆化鋁合金1100X6061-T6X7075-T73XBe-Cu合金25X鎳鋼,270X鋼合金鋼,4140（42CrMo）X碳鋼1020（20#）X1042（正火）（45#）X1042（淬火和回火）（45#）X馬氏體時效鋼，18Ni-250X不銹鋼A286X17-7PHX304ELCX305X310X316X410X440CX718合金X鈦和鈦合金鈦XTi-5A1-2.5SN（ELI）XTi-6Al-4V（退火）XTi-6Al-4V（STA）XISO11114-4描述了允許驗證鋼和金屬材料對氫脆的確切敏感性的測試方法。材料的低溫影響概述用于液氫服務的結(jié)構(gòu)材料的選擇主要基于材料的機械性能，如屈服強度和抗拉強度、延展性、沖擊強度和缺口不敏感性。材料應具有金屬冶金穩(wěn)定性。在20K的液氫溫度下使用的材料的選擇應考慮下列材料行為因素：從塑性到脆性的轉(zhuǎn)變是溫度的函數(shù)；塑性變形模式，特別是在非常低的溫度下遇到的某些非常規(guī)模式；冶金不穩(wěn)定性和晶體結(jié)構(gòu)中的相變對力學和彈性性能的影響。選擇液氫服務材料的兩個主要考慮因素很低：溫度延展性（低溫脆化）和熱收縮。低溫脆化夏比沖擊試驗的結(jié)果與溫度的關(guān)系，以及材料的屈服強度和抗拉強度與溫度的關(guān)系，可用來指示材料的延性到脆性轉(zhuǎn)變行為。從塑性到脆性轉(zhuǎn)變溫度高于20K的材料不宜在液氫系統(tǒng)中使用。在液氫系統(tǒng)中不宜使用聚合物。熱收縮在液氫溫度下使用材料時有必要考慮材料的熱收縮，從環(huán)境溫度到液氫溫度的溫度變化的熱收縮的典型值如下：鐵基合金中約0.3%；鋁含量略高于0.4%；在許多塑料中遠遠超過1%。在兩個金屬表面（例如密封件）之間使用塑料材料必須適應塑料比金屬多約0.6%的收縮。適用于氫氣環(huán)境的材料在將材料用于氫氣服務之前，應認真評估。除非有數(shù)據(jù)表明材料適用于預期的使用條件，否則不應將材料用于氫氣服務。應優(yōu)先選擇已成功用于氫氣的材料。表A.2為一些常用材料在氫氣環(huán)境中的適用性，僅供參考。一些常用材料在氫氣環(huán)境中的適用性材料氣態(tài)氫GH2液態(tài)氫LH2備注金屬鋁及其合金SS受氫脆影響可忽略不計。銅及其合金（如黃銅、青銅和銅鎳）SS受氫脆影響可忽略不計。鑄鐵（灰口鑄鐵、球墨鑄鐵）NSNS相關(guān)法規(guī)和標準不允許。鎳及其合金（如鉻鎳鐵合金和蒙乃爾合金）EE需要評估。易受氫脆影響。鋼，含鎳>7%的奧氏體不銹鋼（如304、304L、308、316、321、347）見A.1見A.1如果在低溫下應力高于屈服點，可能會使馬氏體轉(zhuǎn)化。碳鋼（如1020和1042）見A.1NS需要評估。易受氫脆影響。太脆，不適合低溫LH2。低合金鋼（如4140）ENS需要評估。易受氫脆影響。低溫脆性嚴重。馬氏體不銹鋼（如410和440C）EE需要評估。易發(fā)生氫脆化。鎳鋼（如2.25；3.5；5%和9%鎳）ENS液氫溫度下的延展性損失。鈦合金EE需要評估。易受氫脆影響。非金屬聚四氟乙烯浸漬的石棉（PTFE）aSS避免使用，因為致癌。氯丁橡膠（聚氯丁橡膠）SNS低溫脆性嚴重。聚酯纖維（滌綸）SNS低溫脆性嚴重。氟碳橡膠（氟橡膠）aENS低溫脆性嚴重。聚酯薄膜（聚酯薄膜）aSNS低溫脆性嚴重。腈（丁腈橡膠）aSNS低溫脆性嚴重。聚酰胺（尼龍）SNS低溫脆性嚴重。聚三氟氯乙烯（Kel-F）aSS聚四氟乙烯[聚四氟乙烯（PTFE）]aSS注1:S代表適合使用。注2:NS代表不適合使用。注3:E代表確定材料是否適合使用條件所需的評估。a聚四氟