氢脆机理全解析：成因、影响与防范对策
氢脆是易感金属吸收氢导致延展性丧失、承载能力下降的结果。低于脆化材料屈服应力的应力即可导致开裂与灾难性脆性断裂。氢脆亦称氢致开裂或氢攻击。
室温下氢原子可被金属晶格吸收并扩散穿过晶粒。吸收氢可呈原子或分子结合形式。无论何种形式，原子或分子在金属晶界聚合形成微小气泡。这些气泡作为压力聚焦器，在晶粒间建立压力。压力可升至导致金属延展性降低、材料内部形成微裂纹的水平。开裂为晶间式，即裂纹沿晶界扩展。（延伸阅读：《氢鼓包与氢脆：成因与预防措施》）
下图展示氢脆失效实例。左图为断裂铬镀钢螺栓宏观视图。右图为断口扫描电镜图像。断口多面体外观表明晶间断裂。螺栓在铬电镀过程中发生脆化。
断裂螺栓宏观图与断口扫描电镜图像。
氢脆失效需三要素：
- 易感材料
- 含氢环境暴露
- 残余和/或施加拉应力存在
高强碳钢与低合金钢最易受氢脆。极限抗拉强度<1000 MPa或硬度<30 HRC钢一般不视为易感氢脆。（另一案例见《锌氢脆问题：新指南探讨》）
氢在环境温或高温下进入扩散穿过金属表面。可发生于各类制造装配工序或运行使用中——凡金属接触原子或分子氢处。
可能导致氢脆的工艺包括磷化、酸洗、电镀、电弧焊。这些工序中材料可能吸收氢。例如电弧焊中，氢从水分释放（如焊条药皮水分）；为最小化此风险，焊接高强钢使用特殊低氢焊条。
使用过程中，氢可因腐蚀、金属与酸反应、或与其他化学品反应（特别是硫化氢导致硫化物应力开裂）进入金属。
至于导致断裂的应力，甚至构件内残余应力即足够。
避免氢脆措施包括减少氢暴露、电镀后及其他导致吸氢工序后烘烤。烘烤使氢扩散逸出金属。若烘烤不可行，则使用低强度钢、降低残余与施加应力为避免氢脆断裂可能途径。这些可能是运行中吸氢工况的最佳选项。
***
本文及图片原载于 https://www.imetllc.com/
复合材料