1、12.4 环境断裂环境断裂氢脆氢脆 材料由于受到含氢气氛的作用而引起的材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂，统称为氢脆断裂或氢致开裂，简称氢断裂，统称为氢脆断裂或氢致开裂，简称氢脆。脆。 氢脆主要发生在金属材料构件中。氢脆主要发生在金属材料构件中。 一、氢脆的类型及特征一、氢脆的类型及特征 1、氢压裂纹、氢压裂纹 2、氢致化学变化导致的氢脆、氢致化学变化导致的氢脆氢腐蚀氢腐蚀 3、氢致相变导致的氢脆、氢致相变导致的氢脆 4、可逆氢脆、可逆氢脆 5、氢致滞后断裂、氢致滞后断裂 6、氢致断裂断口形貌、氢致断裂断口形貌 二、氢脆机理二、氢脆机理 1、氢压理论、氢压理论 2、氢降低键合力、氢降低键合
2、力(弱键弱键)理论理论 3、氢降低表面能理论、氢降低表面能理论 4、氢致开裂新机理、氢致开裂新机理 一、氢脆的类型及特征一、氢脆的类型及特征 1、氢压裂纹、氢压裂纹 在材料中某些缺陷位置，在材料中某些缺陷位置，H能复合成能复合成H2，室温时它是不可逆反应，室温时它是不可逆反应，即即H2不会再分解成不会再分解成H。随着进入该缺陷的氢浓度的增加，复合后。随着进入该缺陷的氢浓度的增加，复合后H2的压的压力也增大。当氢压大于屈服强度时就会产生局部塑性变形，如缺陷在试力也增大。当氢压大于屈服强度时就会产生局部塑性变形，如缺陷在试样表层，则会使表层鼓起，形成氢气泡。当氢压等于原于键合力时就会样表层，则会使
3、表层鼓起，形成氢气泡。当氢压等于原于键合力时就会产生微裂纹，称为氢压裂纹。产生微裂纹，称为氢压裂纹。 氢压裂纹包括钢中白点、氢压裂纹包括钢中白点、H2S浸泡裂纹、焊接冷裂纹以及高逸度充浸泡裂纹、焊接冷裂纹以及高逸度充氢时产生的微裂纹等。氢时产生的微裂纹等。 （1）钢中的白点）钢中的白点 钢材剖面酸洗后有时可以看到像头发丝钢材剖面酸洗后有时可以看到像头发丝一样的细长裂纹，其宽度一般约一样的细长裂纹，其宽度一般约1 m，故，故也常称为也常称为“发裂发裂”。如沿着这些裂纹把试。如沿着这些裂纹把试样打断，在断口上可观察到具有银白色光样打断，在断口上可观察到具有银白色光泽的椭圆形斑点，故称为泽的椭圆形斑
4、点，故称为“白点白点”。 (2) H2S诱发裂纹诱发裂纹 碳钢或低合金管线钢在碳钢或低合金管线钢在H2S溶液中浸泡时，即使不存在溶液中浸泡时，即使不存在外应力，试样内部也会产生微裂纹，裂纹呈台阶状。如裂纹外应力，试样内部也会产生微裂纹，裂纹呈台阶状。如裂纹处在试样表面附近，则容易在表面引起鼓泡。处在试样表面附近，则容易在表面引起鼓泡。 H2S在钢的界面上反应生成在钢的界面上反应生成H，它进入试样后富集在夹，它进入试样后富集在夹杂物周围，复合成杂物周围，复合成H2，产生氢压，当分子氢压大于临界值时，产生氢压，当分子氢压大于临界值时就会产生裂纹。就会产生裂纹。 (3) 焊接冷裂纹焊接冷裂纹 焊接过
5、程是个局部冶炼过程，焊条及大气中的水分会进焊接过程是个局部冶炼过程，焊条及大气中的水分会进入熔池变成入熔池变成H，当进入的氢量较高时，在焊后的冷却过程中，当进入的氢量较高时，在焊后的冷却过程中就有可能产生氢压微裂纹就有可能产生氢压微裂纹(类似于钢中白点类似于钢中白点)。 采用低氢焊条，焊前焊条和工件烘烤，焊后工件缓冷等采用低氢焊条，焊前焊条和工件烘烤，焊后工件缓冷等措施就可避免焊接冷裂纹。措施就可避免焊接冷裂纹。 (4) 充氢充氢(或酸洗或酸洗)过程中产生的微裂纹过程中产生的微裂纹 在酸洗或电解充氢过程中也有可能产生氢压裂纹。在酸洗或电解充氢过程中也有可能产生氢压裂纹。 电解充氢时出现的不可逆
6、氢损伤电解充氢时出现的不可逆氢损伤(氢鼓泡或裂纹氢鼓泡或裂纹)主要是主要是充氢逸度过高引起的。充氢逸度过高引起的。 降低充氢电流密度，不加毒化剂降低充氢电流密度，不加毒化剂(如如As2O3，CS2等等)或用或用熔盐充氢代替溶液充氢，就可避免充氢过程中出现不可逆氢熔盐充氢代替溶液充氢，就可避免充氢过程中出现不可逆氢损伤。损伤。 2、氢致化学变化导致的氢脆、氢致化学变化导致的氢脆氢腐蚀氢腐蚀 材料在高温高压氢环境下使用较长时间后，有时在晶界材料在高温高压氢环境下使用较长时间后，有时在晶界附近能产生很多气泡或裂纹，从而引起构件的失效，这种不附近能产生很多气泡或裂纹，从而引起构件的失效，这种不可逆损伤
7、称为氢腐蚀。可逆损伤称为氢腐蚀。 原因：在高温高压下原因：在高温高压下H进入钢中后与碳化物反应生成甲进入钢中后与碳化物反应生成甲烷。形成的烷。形成的CH4分子不能从钢中扩散出来，就在晶界夹杂物分子不能从钢中扩散出来，就在晶界夹杂物处形成气泡，并有很大压力。随着处形成气泡，并有很大压力。随着CH4的不断形成，气泡不的不断形成，气泡不断长大，当气泡中断长大，当气泡中CH4的压力大于材料在该温度下的强度时的压力大于材料在该温度下的强度时就会使气泡转化成裂纹。就会使气泡转化成裂纹。 在钢中加入在钢中加入Cr，Mo，Ti，V，Nb等碳化物形成元素，等碳化物形成元素，形成稳定的合金碳化物，可以大大减小氢腐
8、蚀倾向。形成稳定的合金碳化物，可以大大减小氢腐蚀倾向。 3、氢致相变导致的氢脆、氢致相变导致的氢脆(1) 氢化物析出导致氢脆氢化物析出导致氢脆 很多金属或合金很多金属或合金(如如Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Re等等)能形成稳定的氢化物，氢化物是一种脆性中能形成稳定的氢化物，氢化物是一种脆性中间相，一旦有氢化物析出，材料的塑性和韧性就会间相，一旦有氢化物析出，材料的塑性和韧性就会下降，即氢化物析出导致材料变脆。这是一种氢致下降，即氢化物析出导致材料变脆。这是一种氢致相变引起的氢脆。相变引起的氢脆。 (2) 氢致马氏体相变氢致马氏体相变 不稳定型奥氏体不锈钢在电解充氢时会不稳定型奥氏体不锈钢
9、在电解充氢时会发生氢致马氏体相变，形成发生氢致马氏体相变，形成 或或马氏体，从马氏体，从而降低材料的塑性和韧性。而降低材料的塑性和韧性。 氢致马氏体相变的本质和冷加工诱发马氢致马氏体相变的本质和冷加工诱发马氏体相变相同氏体相变相同 。 上述氢损伤上述氢损伤(氢压裂纹，氢腐蚀，氢致相氢压裂纹，氢腐蚀，氢致相变变)是不可逆的。均为不可逆氢脆。是不可逆的。均为不可逆氢脆。 4、可逆氢脆、可逆氢脆 固溶的氢在拉伸过程中通过扩散和富固溶的氢在拉伸过程中通过扩散和富集导致材料塑性下降称为可逆氢脆。集导致材料塑性下降称为可逆氢脆。 如果在拉伸前或屈服前把试样中的氢如果在拉伸前或屈服前把试样中的氢除去除去(室
10、温放置或中温加热室温放置或中温加热)，则可使塑性，则可使塑性恢复。即使初始氢含量很低恢复。即使初始氢含量很低(或介质致氢或介质致氢能力很弱能力很弱)，通过应力诱导扩散，氢能逐，通过应力诱导扩散，氢能逐渐富集，从而也会引起塑性损失。渐富集，从而也会引起塑性损失。 5、氢致滞后断裂、氢致滞后断裂 在恒载荷在恒载荷(或恒位移或恒位移)条件下，原子氢条件下，原子氢通过应力诱导扩散、富集，到临界值后就通过应力诱导扩散、富集，到临界值后就引起氢致裂纹形核、扩展，从而导致低应引起氢致裂纹形核、扩展，从而导致低应力力(外加应力低于抗拉强度；对预裂纹试样，外加应力低于抗拉强度；对预裂纹试样，外加应力强度因子外加
11、应力强度因子KIKIC)断裂的现象称断裂的现象称为氢致滞后断裂。为氢致滞后断裂。 6、氢致断裂断口形貌、氢致断裂断口形貌 氢致断裂可能获得韧性断口氢致断裂可能获得韧性断口(韧窝韧窝)，也可能，也可能获得脆性断口获得脆性断口(沿晶，解理或准解理沿晶，解理或准解理)。如果氢致。如果氢致断裂是韧窝断口，则称为氢致韧断。断裂是韧窝断口，则称为氢致韧断。 氢致断口形貌和材料本身的成分和组织结构氢致断口形貌和材料本身的成分和组织结构有关，除此之外影响最大的是氢浓度及开裂时外有关，除此之外影响最大的是氢浓度及开裂时外加应力加应力(或外加或外加KI)的大小。的大小。 一般来说，随强度升高，氢致断口形貌由韧一般
12、来说，随强度升高，氢致断口形貌由韧窝变为解理窝变为解理(沿准解理沿准解理)或沿晶。随或沿晶。随CH升高，断口升高，断口形貌也由韧窝变为解理或沿晶。形貌也由韧窝变为解理或沿晶。 二、氢脆机理二、氢脆机理 1、氢压理论、氢压理论 在在H2气环境中，气环境中，H2分解为分解为H原子进入金属中，原子进入金属中，其浓度其浓度CH和和 成正比。反过来，如果溶解在金属成正比。反过来，如果溶解在金属中的中的H进入某些特殊区域进入某些特殊区域(如夹杂或第二相界面、空如夹杂或第二相界面、空位团位团)就会复合成就会复合成H2，即，即2H H2，这时该处的，这时该处的H2气气压力压力P就和就和 成正比，但由于成正比，
13、但由于H2不是理想气团，压不是理想气团，压力较高时要用逸度力较高时要用逸度f代替，则有：代替，则有： P2HCRTHCBCfHH/2exp/22 当局部区城当局部区城CH很高，按上式算出的逸度换算成很高，按上式算出的逸度换算成压力后等于原子键合力压力后等于原子键合力th时，就会使局部地区的原时，就会使局部地区的原于键断裂而形成微裂纹。于键断裂而形成微裂纹。 氢压理论可以很好地解释各种氢压裂纹，如钢氢压理论可以很好地解释各种氢压裂纹，如钢中的白点、中的白点、H2S诱发裂纹、焊接冷裂纹以及充氢时诱发裂纹、焊接冷裂纹以及充氢时产生的鼓泡和裂纹的形成机理。产生的鼓泡和裂纹的形成机理。 2、氢降低键合力
14、、氢降低键合力(弱键弱键)理论理论 氢降低原子键合力理论认为：当局部应力集中氢降低原子键合力理论认为：当局部应力集中yy等于等于原子键合力原子键合力th时，原于键就破裂，从而微裂纹形核。时，原于键就破裂，从而微裂纹形核。 固溶的原于氢能使原于键合力从固溶的原于氢能使原于键合力从th降为降为th(H)。这样，。这样，使氢致微裂纹形核所需的局部应力集中将从使氢致微裂纹形核所需的局部应力集中将从yyth降低为降低为yy(H)th(H)。这样一来就会使造成局部应力集中所需的。这样一来就会使造成局部应力集中所需的临界外加应力从临界外加应力从c降为降为c(H)，或使临界应力强度因子从，或使临界应力强度因子
15、从KIC降为降为KIH。因此，裂纹更容易形成。因此，裂纹更容易形成。 问题：问题： (1)用什么实验能直接证明氢能降低原于用什么实验能直接证明氢能降低原于键合力键合力? (2) 键合力随氢浓度下降的定量表达式；键合力随氢浓度下降的定量表达式； (3)氢降低键合力和氢促进局部塑性变形氢降低键合力和氢促进局部塑性变形是否有关系。是否有关系。 3、氢降低表面能理论、氢降低表面能理论 氢降低表面能理论认为：氢吸附在表面就会使氢降低表面能理论认为：氢吸附在表面就会使表面能由表面能由 降为降为 (H)。根据。根据Griffith理论，断裂应理论，断裂应力力s或断裂韧性或断裂韧性KIC和和 成正比，因而当氢
16、使成正比，因而当氢使 下下降，必然使降，必然使c降为降为c(H)，或使，或使KIC降为降为KIH，从而增，从而增大裂纹形成倾向。大裂纹形成倾向。 存在的问题：表面吸附其它气体存在的问题：表面吸附其它气体(如如H2、O2、SO2、CO、CO2、CS2等等)均使表面能下降，但并不均使表面能下降，但并不引起滞后断裂或产生可逆塑性损失。引起滞后断裂或产生可逆塑性损失。4、氢致开裂新机理、氢致开裂新机理 基本思想：基本思想： （1）氢促进位错发射和运动，即促进局部塑性）氢促进位错发射和运动，即促进局部塑性变形变形 （2）氢降低了原子键合力）氢降低了原子键合力th(H) （3）原子氢进入微裂纹复合成）原子氢进入微裂纹复合成H2，产生氢压，产生氢压 问题：如何定量化问题：如何定量化? 本章结束！本章结束！
