金屬界中的瘟疫——?dú)浯?/div>
2022-01-05 16:46:09
作者：材料人 來(lái)源：材料人
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近年來(lái)在航空及宇航工業(yè)上所使用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼， 在低于斷裂強(qiáng)度拉伸應(yīng)力的持續(xù)作用下，材料經(jīng)過(guò)一段時(shí)期后會(huì)突然脆斷，稱為滯后破壞。研究表明這是由于金屬中低含量的氫所引起的， 類似現(xiàn)象在鈦合金、鋁合金、甚至鎳基高溫合金中也有發(fā)生[1]。因此有必要對(duì)金屬的氫脆問(wèn)題進(jìn)行深入的研究及預(yù)防。
一、氫脆
氫脆是指由于過(guò)量的氫原子進(jìn)入金屬基體后 ,在應(yīng)力作用下 （ 很可能是在材料的屈服強(qiáng)度以下 , 甚至是在正常的設(shè)計(jì)強(qiáng)度內(nèi) ） , 引起金屬韌性或承載能力的降低 , 從而發(fā)生斷裂（ 通常是亞微觀的斷裂 ） 或者突然脆性失效[2]。
過(guò)量的氫可能是該零件使用前就存在， 也可能是使用中從含氫介質(zhì)環(huán)境中滲入的，如： 熔煉、酸洗、電鍍、熱處理、焊接等工藝過(guò)程， 前者稱為內(nèi)部氫脆（Internal Hydrogen Embrittlement, IHE），后者稱為環(huán)境氫脆（External Hydrogen Embrittlement, EHE）[3]。
環(huán)境氫脆與內(nèi)部氫脆的一個(gè)顯著不同點(diǎn)就是氫的來(lái)源不同。內(nèi)部氫脆只需要把晶格內(nèi)的氫原子通過(guò)擴(kuò)散輸送到裂紋前端， 而環(huán)境氫脆則需把環(huán)境介質(zhì)中的氫通過(guò)物理吸附、化學(xué)吸附、氫分子的分解、氫原子的溶解以及氫在晶格中的擴(kuò)散等復(fù)雜過(guò)程， 才能達(dá)到裂紋前端， 而使金屬脆化， 這樣將在很大程度上影響氫脆的機(jī)構(gòu)及裂紋的擴(kuò)展速度。
二、氫脆機(jī)理
國(guó)內(nèi)外對(duì)材料的氫脆現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為金屬的氫脆可歸納為以下5種機(jī)制[3]：
1.表面吸附能理論
Petch和Stables[4]等人提出的表面吸附理論指出： 當(dāng)固體材料吸附某些表面活性物質(zhì)后， 由于降低表面能而導(dǎo)致材料的塑性降低。他們把氫也看作表面活性物質(zhì)， 降低裂紋的表面能， 因而使金屬材料脆化，如圖 1所示。Barnett和Troiano[5]在解釋β型欽合金的氫脆時(shí)也提出了相同的觀點(diǎn)。
圖 1 a）H在裂尖前富集，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展；
b）H吸附在微裂紋表面，
2.位錯(cuò)交互作用
這一理論首先由T.T.Boniszcwshi 提出，用來(lái)解釋鎳的可逆性氫脆， 其要點(diǎn)如下：當(dāng)溫度低于臨界溫度T0, 含氫合金在形變過(guò)程中可能形成柯垂耳氣團(tuán)， 如形變速度較小， 而溫度又不太低， 則氫原子的運(yùn)動(dòng)速度與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度是相適應(yīng)的， 也就是說(shuō)柯垂耳氣團(tuán)伴隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 而又落后一定距離， 它必然對(duì)位錯(cuò)起“ 釘扎” 作用， 使它不能自由運(yùn)動(dòng)， 這就產(chǎn)生局部加工硬化。塑性變形所以能實(shí)現(xiàn)， 主要是由于在外力的作用下不斷產(chǎn)生新的位錯(cuò)， 這些新的位錯(cuò)同樣被氫原子長(zhǎng)滿而形成新的氫氣團(tuán)。在外力的作用下移動(dòng)著的位錯(cuò)及氫氣團(tuán)當(dāng)運(yùn)動(dòng)至晶界或其它障礙物時(shí)， 即產(chǎn)生位錯(cuò)的堆積， 同時(shí)必然造成氫在晶界附近的富集。如應(yīng)力足夠大， 則在位錯(cuò)堆積的端部形成較大的應(yīng)力集中， 從而形成裂紋， 富集的氫原子不僅使裂紋容易形成， 而且使裂紋容易擴(kuò)展， 最后造成脆性斷裂。
3.氫化物氫脆
氫化物氫脆認(rèn)為是由于合金與環(huán)境中的氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 使合金變成粉末狀氫化物而失去原有的強(qiáng)度、剛度等機(jī)械性能。如在室溫時(shí)，氫在α鈦及鈮合金中溶解度較小， 鈦與氫有較大的化學(xué)親和力， 因此α鈦與氫極易生成氫化鈦脆性相，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導(dǎo)致脆性斷裂。
4.高壓氫氣理論
認(rèn)為氫蝕的脆化機(jī)構(gòu)是由于高溫高壓下的氫與鋼中的碳作用而生成甲烷氣泡所致。甲烷氣泡的成核一般在夾雜物上。氫蝕潛伏期的結(jié)束也即變脆的開(kāi)始必須使甲烷氣泡達(dá)到相當(dāng)高的密度才能產(chǎn)生， 而且這些氣泡必須分布在晶界上才能使鋼材脆化，如圖 2所示[6]。
圖 2 兩平板試件發(fā)生氫蝕現(xiàn)象：a）b）俯視圖；
c）d）橫截面圖
5.陰極吸氫理論
Latanision [7]等認(rèn)為由于硫、磷、砷、銻、錫、鉍等雜質(zhì)元素會(huì)阻礙氫原子重新組合形成氫氣，如圖 3所示。從而，氫原子能沿著銻、錫沉積路徑自由進(jìn)入金屬基體，使得晶界變脆。
圖 3 由于銻、錫導(dǎo)致的沿晶陰極吸氫
三、氫脆的檢測(cè)及預(yù)防
氫脆主要有以下兩種檢測(cè)方法：預(yù)載荷試驗(yàn)平行支承面法和硅油檢測(cè)法[8]。
1.預(yù)載荷試驗(yàn)平面支承面法
預(yù)載荷試驗(yàn)應(yīng)在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具上進(jìn)行。緊固件承受的應(yīng)力應(yīng)在其屈服點(diǎn)以內(nèi) ,或者處在破壞扭矩的范圍內(nèi)。該應(yīng)力或扭矩應(yīng)至少保持 48h以上。每隔 24h應(yīng)將緊固件再擰緊到初始應(yīng)力或扭矩 , 同時(shí)檢查緊固件是否因氫脆已發(fā)生破壞。該試驗(yàn)主要用于緊固件 , 其它零件亦可參考使用 , 具體方法見(jiàn) GB/T 3098.17-2000 《緊固件機(jī)械性能檢查氫脆用預(yù)載荷試驗(yàn)平行支承面法》。
2.硅油檢測(cè)法
用 200#硅油加熱到 200 ℃±10 ℃恒溫 ,慢慢將試樣置入有硅油的容器中 ,5 分鐘后檢查 , 若無(wú)連續(xù)氣泡產(chǎn)生 , 則視為合格。亦有資料建議采取石蠟 （180 ℃±10 ℃ ）或凡士林 （120 ℃±10 ℃ ）替代硅油進(jìn)行檢查。
生產(chǎn)中為防止氫脆的發(fā)生可控制氫的含量并減小或消除拉應(yīng)力。對(duì)于內(nèi)氫在冶煉時(shí)采用真空處理或真空冶煉， 焊接時(shí)采用低氫焊條， 酸洗和電鍍時(shí)選用緩蝕劑以降低氫含量， 對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件的冷卻要緩慢， 防止氫致開(kāi)裂的“白點(diǎn)” , 合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時(shí)采用焊前預(yù)熱、焊后烘烤以利于排氫。對(duì)于外氫則盡量避開(kāi)包含有氫氣的氣體、能分解而生成氫原子或分子的水溶液和碳?xì)浠衔锏取?yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工方面考慮， 減少拉應(yīng)力加上消除應(yīng)力的熱處理或采用噴丸處理使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力， 均可有效地降低或抑制氫脆的發(fā)生。
參考文獻(xiàn)
[1] 萬(wàn)曉景。 金屬的氫脆[J]. 材料保護(hù)， 1979, 12（2/3）： 11.
[2] ISO 11114-4:2005 （ISO）Test methods for selecting metallic materials resistant to hydrogen embrittlement.
[3] Milella P P. Fatigue and corrosion in metals[M]. Springer Science & Business Media, 2012.
[4] Petch, N.O., Stables, P.: Embrittlement of 4130 steel by low-pressure gaseous hydrogen.Nature 169, 842–843 （1952）
[5] Barnett, W.J., Troiano, A.R.: Testing for hydrogen environment embrittlement: primary and secondary influences. J. Met. 209,
486–494 （1957）
[6] Groeneveld, T.P., Fessler, R.R.: Hydrogen stress cracking overview and controls. 6th Symposium on Line Pipe Research,
Pipeline Research Committee of American Gas Ass.,p. Y-17–Y-18, Huston TX （1979）
[7] Latanision, R.M., Opperhauser, H.: A molecular orbital model of intergranular embrittlement. Metall. Trans. 5, 483 （1974）
[8] GB/T 3098.17-2000 緊固件機(jī)械性能 檢查氫脆用預(yù)載荷試驗(yàn) 平行支承面法
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標(biāo)簽： 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼, 航空, 氫脆
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