什么是氫損傷？

氫損傷是指金屬中由于含有氫或金屬中的某些成分與氫反應(yīng)，從而使金屬材料的力學(xué)性能變壞的現(xiàn)象。氫損傷導(dǎo)致金屬材料的韌性和塑性性能下降，易使材料開裂或脆斷。氫損傷與氫脆的含義是不一樣的，氫脆主要涉及金屬材料脆性增加，韌性下降，而氫損傷含義要廣泛得多，除涉及韌性降低、開裂外，還包括金屬的其他物理性能下降。

 根據(jù)氫引起金屬破壞的條件、機(jī)理和形態(tài)，氫損傷可分為氫鼓泡、氫脆、氫腐蝕三類。氫鼓泡是由于氫進(jìn)人金屬內(nèi)部而使金屬局部變形，嚴(yán)重時(shí)金屬結(jié)構(gòu)完全破壞。氫脆是由于氫進(jìn)人金屬內(nèi)部而引起韌性和抗拉強(qiáng)度下降。氫腐蝕是指高溫下合金中的組分與氫反應(yīng)，如含氧銅在氫作用下的碎裂，含碳鋼的脫碳造成機(jī)械強(qiáng)度下降。

 氫損傷是氫與材料交互作用引起的一種現(xiàn)象。氫的來源可分內(nèi)氫和外氫兩個(gè)方面。內(nèi)氫是指冶煉、鑄造、熱處理、酸洗、電鍍、焊接等工藝過程中引人的氫。外氫或環(huán)境氫是指材料本身氫含量很小，但使用中或試驗(yàn)中從能提供氫的環(huán)境吸收的氫，如與含H氫的介質(zhì)（H2、H2S）接觸或處在腐蝕或應(yīng)力腐蝕過程中，若存在氫還原的陰極反應(yīng)，部分氫原子也會(huì)進(jìn)人金屬中。由于氫和金屬的交互作用，氫可以以 H、 H+、 H-、 H2、金屬氫化物、固溶體化合物、碳?xì)浠衔铮ㄈ?CH4氣體）、氫氣團(tuán)等多種形式存在。氫在金屬中的分布是不均勻的，易于在應(yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端等應(yīng)力集中的缺陷區(qū)域擴(kuò)散和富集。

 氫損傷機(jī)理

 關(guān)于金屬材料的氫損傷機(jī)理的理論較多，但是各具特點(diǎn)，且均存在局限性。下面簡要介紹氫脆、氫鼓泡及氫腐蝕的機(jī)理。

① 氫脆機(jī)理   氫脆是指由于氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象。氫脆機(jī)理，大多數(shù)認(rèn)為是溶解氫對位錯(cuò)滑移的干擾。這種滑移干擾可能是由于氫集結(jié)在位錯(cuò)或顯微空穴的附近，但是精確的機(jī)理仍然沒有搞清楚。原子氫與位錯(cuò)的交互作用理論（氫釘扎理論）認(rèn)為：因各種原因進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫原子存在于點(diǎn)陣的空隙處，在應(yīng)力的作用下，氫原子會(huì)向缺陷或裂紋前線的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散，阻礙了該地區(qū)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗塑性變形的能力，也叫做氫釘扎理論。因此，任外力作用下，能量只能通過裂紋擴(kuò)展釋放，故氫的存在加速了裂紋的擴(kuò)展。

② 氫鼓泡機(jī)理   氫鼓泡是指過飽和的氫原子在缺陷位置析出后，形成氫分子，在局部區(qū)域造成高氫壓。引起表面鼓泡或形成內(nèi)部裂紋，使鋼材撕裂開來的現(xiàn)象，稱為氫誘發(fā)開裂或氫鼓泡。

由于腐蝕反應(yīng)或陰極保護(hù)，氫在內(nèi)表面析出，有許多氫擴(kuò)散通過鋼壁，在外表面結(jié)合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴(kuò)散到一個(gè)空穴內(nèi)，結(jié)合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴(kuò)散到一個(gè)空穴內(nèi)，結(jié)合成氫分子。因?yàn)闅浞肿硬荒茉诳昭▋?nèi)向外擴(kuò)散，導(dǎo)致空穴內(nèi)的氫濃度和壓力上升。當(dāng)鋼中氫濃度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，氫壓足以誘發(fā)裂紋，在氫源不斷向裂紋中提供H2的情況下，裂紋不斷擴(kuò)展。

③ 氫腐蝕機(jī)理  氫腐蝕是指在高溫高壓條件下，氫進(jìn)入金屬，發(fā)生合金組分與氫的化學(xué)反應(yīng)，生成氫化物等，從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降，發(fā)生沿晶界開裂的現(xiàn)象。

氫腐蝕中伴隨著化學(xué)反應(yīng)。如含氧銅與氫原子反應(yīng)，生成水分子高壓氣體；又如，碳鋼中滲碳體與氫原子反應(yīng)，生成甲烷高壓氣體。

 2H + Cu → 2Cu + H2O

 4H + Fe3C → 3Fe + CH4

 在高溫高壓含氫條件H下，氫分子擴(kuò)散到鋼的表面，并產(chǎn)生物理吸附，被吸附的部分氫分子轉(zhuǎn)變?yōu)闅湓?，形成化學(xué)吸附。然后直徑很小的氫原子會(huì)通過晶格和晶界向鋼內(nèi)擴(kuò)散。固溶的氫與滲碳體反應(yīng)生成甲烷，甲烷在鋼中擴(kuò)散能力很低，聚集在晶界原有的微觀空隙內(nèi)。反應(yīng)進(jìn)行過程中，降低了該區(qū)域的碳濃度，其他位置上的碳通過擴(kuò)散給予不斷補(bǔ)充。這樣甲烷量不斷增多，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，使該處發(fā)展為裂紋，當(dāng)氣泡在晶界上達(dá)到定壓力后，造成沿晶開裂和脆化。

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