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1 氢脆事件二次大战初期，英国皇家空军的一架战斗机在飞行演习中突然坠落，驾驶员当场毙命，震惊英国朝野。类似的事件在历史上发生多次：50年代法国蜡克油田管道阀门因氢脆开裂，天然气大量逸出，喷火燃烧，损失惨重。1978年5月一架DC-10型巨型客机从芝加哥机场起飞，一分钟后突然坠地焚毁，机上270多人无一幸免，原因是发动机中一只紧固螺栓电镀时吸收了从电镀液中分解出来的大量氢原子引起突然脆断。2 什么是氢脆金属材料在冶炼、加工、热处理、酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用时，材料由于析氢或氢渗而造成机械性能严重退化、发生脆断的现象，称为氢脆。不仅在普通碳钢中发现氢脆，而且在不锈钢、铝合金、钛合金、镍基合金和锆合金中也都观察到氢脆现象。从机械性能上看，氢脆有以下几种表现：氢对金属材料的屈服强度和极限强度影响不大，但使延伸率尤其是断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值显著降低。在低于断裂强度拉伸应力的持续作用下，材料经过一段孕育期后会突然脆断，及所谓滞后破坏。在一些钢的氢脆断口上肉眼可以看到很多灰白色小点和细如发丝的裂纹，分别称为白点和发纹。在高倍扫描电镜下观察，可以在氢脆断口上看到很多小区域的、弯曲的河流状花样，它的形貌与大理石断口很相像。3 氢脆的机理3.1 氢在金属中的存在形式和位置研究表明, 氢在金属中可能存在的形式有氢原子、氢负离子、氢正离子以及氢分子、甲烷、原子团和金属氢化物等7种。当金属中有缺陷存在, 如气孔、夹杂、微裂纹等, 固溶在金属中的氢通过扩散、脱附过程在缺陷处析出, 并结合成氢分子。氢分子主要处于金属内部的各种缺陷处; 当氢以甲烷形式存在于金属中时, 主要处于金属的晶界处和相界处; 当氢以原子团形式存在时, 主要处于应力集中区及位错密集区; 当氢以负离子态存在时, 处于金属晶格点阵上, 并以化学键与金属原子形成化合物; 当氢以原子态、正离子态或金属氢化物存在时, 则处于金属晶格点阵的间隙中。氢在金属中存在的位置, 决定了氢脆断裂的“沿晶断裂”特征。氢在金属中的存在, 并不是静止不动的, 而是按照一定规律扩散。浓度梯度和应力梯度都是产生氢扩散的动力。许多研究表明, 金属中的氢会从高浓度区向低浓度区扩散, 由低应力区向高应力区聚集, 从而造成高应力区的氢脆。
3.2 氢对金属的损伤氢对金属材料的影响很多, 科学家对其认识差异也很大。据有关资料介绍, 氢对金属的损伤通常可以归纳为以下6 类。a) 氢脆(包括延迟损伤和延迟断裂)：氢在金属中的局部浓度达到饱和时, 引起金属的延展性和韧性降低, 或者导致延迟断裂。根据氢的来源不同, 氢脆可分为内部氢脆和环境氢脆。一般情况下, 氢脆具有可逆性, 通过适当的除氢工艺可以降低或消除氢的影响。b) 氢腐蚀：钢中的氢在高温高压条件下,与钢中的碳形成甲烷的化学反应, 在这一反应中, 形成的甲烷聚集在晶界上, 使晶界产生高压气泡。当气泡的数量和压力达到一定临界值时,就会导致晶界上产生微裂纹, 造成钢的不可逆损伤。这种腐蚀现象主要发生在氨合成装置、石油裂解装置等化工设备中。c) 形成氢化物：氢进入过渡族元素及其合金的晶格中并形成间隙型氢化物, 使材料的塑性、韧性降低。d) 微裂纹：如果金属在冶炼过程中带入过量的氢, 其溶解度随着金属的降温凝固而减小。如果过饱和的氢未能扩散外逸, 便会在材料缺陷处聚集形成氢分子。聚集的氢可形成很高的内压, 导致材料内部形成微裂纹。e) 氢鼓泡：在硫化氢腐蚀环境中使用的钢,或者对钢进行充氢的过程中, 当扩散进入钢中的氢原子在非金属夹杂物或者较大的缺陷处聚集而形成氢分子时, 就可能出现氢鼓泡。随着氢原子的不断吸入, 氢鼓泡逐渐长大, 形成高内压, 使其周围的金属产生变形, 甚至发生破裂, 与附加外应力共同作用导致金属开裂。f) 流变性退化：氢进入金属后, 会促使铁的流变强度降低, 合金的高温蠕变抗力下降。这是氢脆引起材料性能改变的一种表现。目前, 国内将由于氢的存在而使金属材料产生不可逆损伤、塑性下降以及应力状态下的延迟断裂, 统称为“氢脆”或者“氢损伤”。
4 氢对金属材料机械性能的影响氢对金属材料机械性能的影响, 很难用理论计算的方法定量地予以描述。氢对金属材料机械性能的影响主要表现在以下几项： a) 弹性模量：材料的弹性模量随着氢含量的增加而降低; b) 极限抗拉强度：对于氢敏感的材料, 氢会使材料的极限抗拉强度明显降低; c) 极限屈服强度：氢会使大部分材料的屈服极限可以提高10%以内, 但对无应力集中试样的屈服强度影响不大; d) 冲击韧性( ak)：当氢含量达到5ppm～6ppm 时, ak值会有不同程度的降低, 而且随着氢含量的增加ak 值下降; e) 延伸率：氢能使氢敏感材料的延伸率严重降低, 对氢不太敏感的材料也会略有降低; f) 断面收缩率：氢对材料塑性的影响最突出地表现在断面收缩率的变化, 其中对氢高敏感的材料, 断面收缩率可降低30%以上; g) 疲劳寿命：氢能使材料的疲劳裂纹扩展速率提高, 疲劳寿命降低, 特别是在低周疲劳的情况下, 这种影响更为明显; h) 断裂韧性：当有微裂纹的材料处于氢气氛中, 由于氢的吸附、溶解和应力诱导, 使氢向微裂纹尖端聚集, 在饱和氢及应力的共同作用下, 会导致裂纹尖端低应力起裂, 并不断扩展直至断裂。金属材料中的氢能改变材料的机械性能, 使脆性增加、塑性降低, 甚至脆断, 对氢敏感的材料受此影响尤为严重。
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