化工设备失效分析课件(第7章)

第七章金属的氢损伤

氢损伤是指与氢的行为有关的金属损伤。金属从冶炼起，经铸、轧、锻、焊、热处理、机加工直到使用的过程中，都难免程度不同地同含氢气氛，含氢化合物（如H2O、H2S、各种酸溶液）乃至纯氢发生接触。于是在有些场合下就会发生金属－氢－力三者先后或共同作用而导致金属破坏。在航空、航天，交通运输，尤其在化工、石油等部门都经常发生氢致损伤并都有由此导致的事故。第一节氢损伤的种类

氢损伤，按氢导致材料性能退化来看，可分为七大类九种。它们在发生场合、形成机理和产生后果等方面互有区别。（一）氢脆包括氢应力开裂、氢环境脆化和氢致拉伸延性丧失三种。（二）氢化物氢脆这是指Ti、Zr等金属内部含氢过饱和，沉淀析出氢化物而脆化。

（三）氢鼓泡发生0～150℃。当钢因腐蚀或电解、电镀而氢活度很高，以致在内部产生的氢气压很高，将金属膨胀起来，成为气泡。（四）氢腐蚀发生的温度较氢鼓泡为高，在205℃-595℃。其本质是氢与钢中的碳结合生成CH4而鼓泡。由于其受损的外形与氢鼓泡相似，故早期常将这两者混为一谈。

（五）发纹或白点指通常发生于大型钢锻件中的一种缺陷。一般认为炼钢或其它工艺加热时溶入的氢在钢冷却时于空隙、微缩孔等缺陷处沉淀析出。过量的氢与锻件冷却的内应力共向作用导致内部微裂，即为白点。（六）流变特性退化当钢铁或镍基合金含有内氢或处于氢环境中，其流变强度下降，特别表现在蠕变温度下（T＞0.4Tm）的蠕变速率增大。

（七）显微穿孔在气态氢压特别高如2000大气压（196MPa）以上时（20～100℃），钢中出现特别小的发纹以致气体透出。在上述各种氢损伤小，常见且研究较多的是发纹或白点、氢应力开裂、氢腐蚀和氢鼓泡。第二节氢的来源及其在金属中的存在形态

一、内氢的来源（一）当冶炼过程和熔化金属时，炉气中可能由于炉料中的有机物、水份分解而含有氢。（二）金属在高温的加热（如热处理和锻造时）也能吸氢。（三）焊接时，尤其是电弧焊时，电弧区温度很高，又有电场存在，使含氢的物质如汗、油污等有机物及水、锈、空气中的潮气等，均能分解为氢的原子或质子。

（四）金属受到腐蚀（例如酸洗）时，

M（固态金属原子）→Mn+＋ne-

Mn+进入溶液中，ne-留在金属上。此时溶液中的H+到达金属表面，H+＋e-→H。（五）电镀时，被镀零件作为阴极，带有来自电源的负电荷。电镀液中的正离子Mn+来到阴极发生中和：

Mn+＋ne-→M与此同时，H+＋e-→H，也会进入金属之中。

二、环境氢三、氢在金属中的存在形态氢在铁、钴、镍中主要是以金属键同基体作用，即固溶于其中。此时氢原子就将电子交给了基体金属共用，本身成为H+即为质子态。在Ti、Zr等金属中，H与基体元素易结合成化合物MxHy，较稳定地存在。在多晶体工程合金如钢铁中，除随机分布的固溶H之处，H还会同其中的各种合金元素溶质原子、晶体缺陷、各种化合物相发生程度不同的结合。

四、氢的扩散氢气H2和化合态（CH4、氢同金属的稳定化合物）的氢不能在金属中扩散，除非先发生分解。溶解态的氢（即屏蔽的质子）能在金属中较快地扩散。陷井中的氢要获得足以克服势陷井的能量后，才能与其它H同样地参予扩散过程。第三节钢中氢损伤的机理

氢对钢的损伤机理，大体说来不外乎三种方式：一是氢作为破坏力的来源之一，主要指造成内压或内应力；二是氢使材料弱化、脆化，这里是指固溶氢使金属的表面能、结合能下降以及形成脆弱的氢化物MxHy，第三个方而则是氢参与并促进钢的塑性变形（氢致塑变）和断裂。第四节影响氢损伤的因素及相应的控制措施

一、控制内氢的来源及浓度（一）采用低氢的炼钢法，（二）焊接时控制氢的措施（三）正确地进行酸洗：二、在环境氢损伤情况下，设法阻碍氢进入钢中三、在设计、制造，选材方面第五节氢损伤的断裂和断口分析

一、宏观分析

不同类型的氢损伤导致材质劣化的机理不同，所形成的断裂和裂口形式也就不同。氢化物脆性是Ti、Zr等的氢化物沿晶界析出所致。当晶粒粗大和含氢量高时，金属材料整体脆化。在快速载荷下（如冲击）形成全面的脆性断口。在氢含量较低、晶粒细小的情况下，则表现出相当的塑性。

鼓泡多数都平行于板面（图7-5）。一般说来，在正常周期性检查时，可以在发生断裂事故之前发现，如图7-4。

氢鼓泡和氢腐蚀使材料的连续性、致密性破坏。在发生断裂的严重条件下，虽然断裂的宏观塑性比原材料差，但视断裂载荷不同，在细观条件下仍可有明显的塑性。区分氢鼓泡和氢腐蚀之依据是工作温度、氢的来源及金属的脱碳程度。

延迟氢脆裂纹扩展到瞬断截面时，形变速率增大，氢的脆化作用消失，其断裂形式就同有裂纹的无氢试样单调一次加载快速断裂相同，决定于材料本性、零件尺寸和载荷情况。所以我们讨论延迟氢脆断口的重点是起裂点及慢速扩展区。可逆延迟氢脆断裂，在宏观上是很脆的，看不出塑性变形。

延迟氢脆大多发生在强度较高的钢材，如40CrNiMo之类零件电镀后。由于断裂在微观上可能是沿晶，也可能是穿晶的，故宏观上可能属粒状断口；也可能较平坦，显示出细结晶状。其形貌受材料本性（强度）影响，可有明显的放射花样。图7-17为4043钢的构件和缺口圆试样的宏观断口。

单纯的氢脆断口上应是干净的，没有氧化膜、腐蚀产物、也没有油污。故依此可以在宏观上同应力腐蚀、淬火裂纹相区别。当然这只限于断裂后断口未受额外的污染或腐蚀的情况。而这种情况实际上并不多。

二、微观分析

作为裂纹（未完成的断裂）分析，裂纹的金相形貌观察可以发现裂纹扩展与金属组织的关系。图7－18是50BA钢制枪拴经酸洗及校正变形后在应力集中处发生的延迟氢脆裂纹的金相形貌，是典型的沿晶开裂。

这种开裂的途径，与裂纹尖端的应力强度因子KI有关。如图7－19所示，低KI时，氢脆的典型特征更明显，是沿晶的；高KI时，倾向于微孔聚集的过载断裂，是穿晶的。在KI中等大小时是一种穿晶的准解理断裂。

与此相对应端口形貌也有如下几种：沿晶、氢脆准解理和韧窝断口。如图7－20为300M钢淬火（σｂ=1862～2068MPa）后镀镉再作持久承载时断裂的断口,为沿晶开裂。以后的扩展断口为韧窝型。

图7－21是65Mn钢处理到HRC43的试片断口；未经镀锌的一片只能在加大载荷条件下过载断裂，为韧窝断口；而镀锌的一片含氢量高，发生延迟氢脆，沿晶断口上还能看到二次裂纹。

延迟氢脆的这类沿晶断口和应力腐蚀及沿晶析出物脆化不同，它没有腐蚀产物，看不到脆性第二相，而是在开裂晶界面上有微孔形小窝及变形的条痕，有的的象发纹，有的象鸡爪。

这种微观的塑性变形痕迹是氢