金属材料的氢脆

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氢是金属中的有害元素，极少量的氢就可以使材料变脆。材料中的氢和应力同时存在，就可能是材料发生脆断。这种应力可以是外加应力，也可以是材料本身的残余应力。氢元素的来源，可以是冶炼残留，也可以是从环境进入材料中。

氢脆有哪些类型，其特征是什么？

对于钢铁材料，氢脆现象主要有以下几种：氢蚀、白点、氢致裂纹。

氢蚀。氢蚀是氢原子与金属中的第二相反应，生成气体，局部膨胀产生高压，使金属的晶界结合力减弱，甚至局部分离。

例如钢在300~500°C的温度下，如果周围存在高压氢气氛围，这时氢会和钢中的C原子结合，生成CH4，在钢中以气泡的形式存在，这种气泡会使钢变脆。

因此，氢蚀需要一定的条件，对于碳钢来说，220°C以下的环境温度下，不产生氢蚀。

氢蚀断口宏观上呈氧化色，微观上呈沿晶特征，晶界宽度明显增加。

如何预防氢蚀？可以降低钢中含碳量，以减少钢中C原子的供应；加入强碳化物形成元素，如Mo、Ti、V等元素，以减少氢气与C原子反应的机会。

白点。宏观特征是在拉伸断口上可见一些呈白色的鱼眼状形貌，见图1。白点形成原因，是由于钢材中存在较多氢原子，在外力作用下，氢原子迁移聚集，在晶界、夹杂物界面等缺陷部位结合，形成氢分子，产生膨胀压力，与材料相互作用，使拉伸断裂后的断口宏观上局部呈现圆形的白色。

图1

白点在扫描电镜下的低倍形貌见图2~4，可见在白点的中心部位，常常存在数量不一的氢气孔。

图2

图3

图4

如何防止白点的出现？炼钢时可以采用精炼出气，锻打后缓冷、等温退火促使氢原子扩散出去，钢中加入可抑制白点的稀土元素。

氢致裂纹。氢致裂纹的产生首先钢中得有氢原子。氢原子如何进入钢材中？同产生白点生的氢原子来源一样：炼钢和环境。高温时，氢原子在钢中的溶解度较大。当冷却至室温时，钢中氢的溶解度大幅降低。来不及从钢中扩散出去的氢原子会向晶界、位错、夹杂物界面等缺陷部位偏聚，因为这些部位间隙较大。较多的氢原子扩散到晶界，就会相互结合成氢分子。应力会促进氢原子迁移聚集。氢分子在晶界富集，就会逐渐产生强大的膨胀力，和钢材拘束应力叠加，慢慢就使晶界分离开来。

氢原子的影响是比缓慢的，产生裂纹需要数小时乃至许多天，所以人们把氢原子造成的裂纹，称为延迟裂纹或氢致裂纹。

氢致裂纹产生一般需要三个条件：钢中存在氢原子；有拘束应力；组织中存在马氏体。

延迟裂纹产生的断面，一般为沿晶特征，沿晶面上有鸡爪纹存在，见图5。

图5