氢损伤

金属由于内部溶入氢原子或内部的氢在起还原作用而引起的损伤甚至引起构件破坏

氢损伤是指金属由于内部溶入氢原子或内部的氢在起还原作用而引起的损伤甚至引起构件破坏。氢损伤的形式有使钢材出现氢脆、氢鼓泡、氢腐蚀、发纹或白点等。氢脆发生在钢材中，按氢来源，氢损伤可分成内部氢损伤（或内部氢脆）和外部氢损伤（或外部氢脆）两类。

定义及其发展

早在1817年，Daniell就发现钢经过酸洗后使钢的延性降低。在1880年，Hughes已明确指出这种脆性是由于氢引起的。20世纪初对氢脆的研究主要是大锻件钢中出现白点（或发纹），特别是低合金钢中（如 40Cr等）。后来人们采取了工艺措施，特别是采用真空冶炼和浇注，基本上解决了这个问题。以后发现，在高强度钢的电镀件或焊接件中易出现脆性裂纹，如飞机起落架的超高强度钢AISI 4340镀镉后引起的脆性断裂等。经过大量的研究证明，裂纹都是由于钢中含有过量的氢造成的，一般说来，氢含量都是在5×10-4%～ 10×10-4%以上。一旦形成裂纹再去氢也无济于事，解决的办法只有从防止过多的氢进入钢中着手。如果采用低氢焊接或电镀工艺，对钢进行预热、缓冷或者去氢处理就可以避免。这些办法在20世纪三四十年代就已经提出并基本解决。

自20世纪50年代以来，美国航空工业采用的超高强度钢（σs>1372MPa）也出现了在水介质中或工业大气中的SCC，以Troiano为代表的研究者指出，上述这些开裂及所有SCC，除少数例外都与氢有关。近年来，金属的氢脆已成为一个与能源息息相关的问题。在酸性油气田开采中，由于硫化物会促进钢的吸氢而引起氢脆失效事故，有的气田竟因此推迟了多年才得以大规模开采。国内在酸性气田开发的初期，由于没有注意气田设备抗氢脆能力，引起了气田的爆炸事故。直至20世纪70年代后期，6000m以上酸性气田深井开发材料的氢脆问题，仍未能完全解决。法国为了开发高H2S含量的Lacq油气田（w= 15% H2S，140℃，65.7MPa），促使法国中央工艺学院的Bernstein学派长期从事这方面氢脆的研究。

自世界能源危机以来，氢已被直接作为一种新的能源燃料。据1976年的报道，美国氢的年产量为6Gm3，已为其天然气产量的1/10。在产氢、贮氢、输氢和用氢中都可能发生金属的氢损伤问题，而氢脆是其中的一个重要方面。近10年来，在低碳钢、低合金钢、不锈钢以及钛、钽、钴合金中都发现氢引起的损坏。因此，无论是金属加工工业、化学工业还是石油工业及新近发展起来的核动力工业，都遇到氢脆问题，氢脆已成为国际上活跃的学术研究领域之一。

氢的来源

钢中氢的来源有：（1）在冶炼、酸洗、焊接或电镀等工艺过程中钢所吸收的氢。（2）使用过程中由环境中吸收的氢。含氢介质有H2、H2s等气体，或在水溶液中腐蚀时阴极过程所释放的氢。

种类与机理

按氢来源，氢损伤可分成内部氢损伤（或内部氢脆）和外部氢损伤（或外部氢脆）两类。

按氢的存在形式和作用机理，氢损伤可分成如下三类：

（1）氢原子导致的氢损伤：在外加或残余拉应力作用下，氢原子在裂纹尖端等应力集中处积聚并优先积聚在晶界和位错等缺陷（常称为氢陷阱）处，导致材料脆化，表现为延塑性降低甚至发生穿晶或沿晶断裂的脆性失效。工程上许多脆化或低应力破裂，如酸洗脆化、某些应力腐蚀和焊接延迟开裂（冷裂），就属于这类损伤。

关于氢脆本质机理，即氢原子积聚后氢如何导致材料脆化，数十年来吸引许多科研工作者从各方面去探索，但到现在依然尚未定论，提出的若干重要假说有：①氢致材料原子间聚合力下降；②氢促进局部塑性变形；③氢吸附导致表面能下降或裂尖位错增值。

（2）氢分子导致的氢损伤：氢在材料内部以分子态氢气聚集，产生高压，使材料发生脆裂。比如高温熔炼时大量溶解进入的氢在冷却过程中以分子态氢气在钢内的析出，产生缺陷，或直接在空洞夹杂等缺陷处析出，导致缺陷脆性扩展，这些缺陷的萌生和扩展可无需外加应力，但在某些情况下，它们会由于残余的或外加的拉应力的存在而发展呈现为线状。工程上常见的氢鼓泡和白点就属于这类损伤。

（3）氢化物导致的氢损伤：即氢与材料基体或某些组分发生化学反应，生成脆性的氢化物，导致脆性破裂。例如钛合金和锆合金在含氢环境中由于裂纹尖端逐渐形成脆性钛氢化物或锆氢化物，而发生延迟开裂就属于这类损伤。钢在高温（一般为220℃以上）氢环境中服役时，氢与材料中的Fe3C反应生成甲烷CH4，它们在夹杂和晶界等缺陷处不断积聚形成局部高压，结果造成材料内裂纹和鼓泡，称之为氢蚀，也属于这类氢损伤。

工程实践和科学研究发现，应力腐蚀破裂、腐蚀疲劳中有许多破裂失效的机理都是由于氢的进入导致材料变脆引起的，因此应力腐蚀破裂、腐蚀疲劳和氢脆三者常常相互关联。

特性与评定

发生氢损伤的材料种类很多，氢的来源也是多种多样的，进入材料中的氢可以多种机理起作用，因此工业上各种氢损伤问题的特性、评定与防护也是多种多样的。但也有一些共性，比如氢损伤的特性都表现为材料脆化、破裂延迟或断续发生，前面所述的评定应力腐蚀破裂的方法和原理常常用于评定氢损伤。低合金高强度钢的氢脆在工业上比较常见，对应的工业现象有熔炼或热加工时溶入的氢导致脆化、电镀件或焊接件中出现脆性延迟裂纹、在水介质中或潮湿大气中的应力腐蚀破裂等，这些现象的机理都已经被认定是原子氢导致的氢损伤。下面以其为例，介绍具体的一些氢脆特性：

在常规力学试验中，氢对拉伸性能的影响主要是降低塑性指标延伸率及断面收缩率，而对强度的影响较小；但对于三点弯曲试样或预裂纹试样，由于存在应力梯度，氢可能会在高应力区富集而降低钢局部区域的强度。上述影响随应变速率的减慢而增大。

在较低的静载荷作用下，来自材料本身或是环境反应的氢可以在局部高应力区富集，经过一段孕育期后可在材料内部产生裂纹并进行亚临界扩展，当达到临界裂纹长度时，发生断裂，表现出延迟破坏特征。如果含一定量氢的材料制成的拉伸试样或预裂纹试样持久地承受不同载荷，得到的应力或应力强度因子水平与失效时间的曲线就像一般疲劳的S-N曲线那样，如图《含氢高强度钢拉伸试样的应力与失效时间关系曲线》所示，有时也称为静疲劳曲线。曲线上也存在一下限的门槛值，即应力或应力强度因子水平低于此值后，加载时间再长，也不发生破坏，该值称为氢脆延迟破坏的临界应力或应力强度因子门槛值。

氢脆裂纹扩展常常是不连续的，用声发射仪等装置可测到裂纹扩展的断续性，一般认为是氢脆断裂需要氢在裂纹前沿的三轴拉应力最大处富集到临界浓度，发生断裂使裂纹扩展一段距离后，氢需要一段时间才能在新的三轴拉应力最大处富集到临界浓度而导致新的断裂，即裂纹的进一步扩展。

在宏观断裂形态上，表现出脆性特征，裂纹源大多在试样表皮下三轴拉应力最大处，对于缺口试样，随着缺口半径的增大，断裂源远离缺口。

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