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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