材料的氢脆

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氢脆(hydrogen embrittlement)

材料在产生氢的环境中，由于氢原子进入材料中而引发的局部性金属腐蚀。

形式

氢脆常以氢诱发裂纹、氢致延性丧失、氢致应力破裂等形式出现。

(1)氢诱发裂纹。

可为直线型或台阶型，其产生与外加应力存在与否和外加应力取向均无关。它常沿平行金属轧制方向扩展，许多情况是沿长条形MnS夹杂产生与扩展。氢诱发裂纹是不可逆的。氢原子进入微观缺陷或基体和夹杂的内界面形成分子氢，当氢压足够大时即形成微小裂纹，随氢的不断进入，裂纹不断扩大。氢诱发裂纹受金属成分、夹杂、强度、组织结构、氢浓度、温度、轧制等诸多因素的影响。

(2)氢致延性丧失。

由于氢进入金属，造成由断面收缩率和伸长率所表述的延性明显降低。它在大多数工业常用金属中如合金钢、镍基合金、钛合金、铝合金中经常出现。氢致延性丧失情况随金属中的氢量、温度、组织、结构和应变速度而变化。这类延性丧失常常为可逆性，当金属被加热将氢驱出后，延性即可恢复。

(3)氢致应力破裂。

指在张应力存在时，氢使金属出现低应力破裂的现象。氢原子通过应力梯度诱导，向局部区域(如坑点根部，裂纹前端)扩散和聚集，当其在局部区域浓度达到临界点时，裂纹形核。形核区应力强度因子超过界限值K1H时，裂纹即行亚临界缓慢扩展。如不卸载或者不中断氢的供应，则裂纹继续扩展将发生失稳快速机械断裂。影响氢致应力破裂的因素有金属强度、成分、组织结构和环境因素等。

机理

目前有4种主要理论：(1)氢压理论。认为，金属中的过饱和氢在各种不均匀处结合成分子氢，分子氢浓度达到很高值，从而产生巨大内压，由此产生局部应力梯度，应力梯度又促使周围氢原子进一步向空洞扩散，氢压就愈来愈大，当氢压超过金属局部断裂强度时，则裂纹形核并扩展。(2)降低结合键理论。认为应力诱导氢扩散，使原子氢富集于最大三轴应力区，从而使原子间结合力下降，造成材料低应力脆断。(3)吸附降低表面能理论。认为氢吸附在裂纹内表面而降低表面能，使得裂纹失稳扩展所需临界应力降低，从而导致开裂。(4)位错运动理论。认为氢能在位错周围形成柯丘尔(Cottrel)气团，此气团将位错钉扎住，使其运动受阻，塑性变形困难直至延性丧失即发生低应力脆断。另有人认为，位错周围氢气团能通过扩散而随位错一起运动，当带氢位错运动到晶界或障碍物时就会塞积，使氢在障碍物处富集，当浓度达到足够高时，就会出现裂纹。

预防措施避免或减少氢脆的途径有：消除产生氢的因素，如除去水分等；隔断金属与含氢环境接触，如表面处理和涂层；排除金属中的氢，如烘烤；提高金属纯度，减少夹杂含量，改变金属成分与组织；采用合理的制作工艺，如采用无氢或低氢电镀与焊接；采用合理的设计，减少应力集中等。