化工设备失效分析课件(第7章)

第七章金属(jīnshǔ)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(nánmiǎn)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。精品资料第一节氢损伤(sǔnshāng)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(bāokuò)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。

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（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(zǎoqī)常将这两者混为一谈。精品资料

（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(jiārè)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。

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（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(qìtǐ)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。精品资料第二节氢的来源(láiyuán)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(jiārè)（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。精品资料

（四）金属受到腐蚀（例如酸洗）时，M（固态(gùtài)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。精品资料

二、环境氢三、氢在金属中的存在形态(xíngtài)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。精品资料

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(néngliàng)后，才能与其它H同样地参予扩散过程。精品资料第三节钢中氢损伤(sǔnshāng)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(xíngchéng)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。精品资料第四节影响氢损伤(sǔnshāng)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(cǎiyòng)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，选材方面精品资料第五节氢损伤的断裂(duànliè)和断口分析

一、宏观(hóngguān)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。精品资料

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(kěyǐ)在发生断裂事故之前发现，如图7-4。精品资料

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(láiyuán)及金属的脱碳程度。精品资料

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(zuòyòng)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。精品资料

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(běnxìng)（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。精品资料

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(dāngrán)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。精品资料

二、微观(wēiguān)分析作为裂纹(lièwén)（未完成的断裂）分析，裂纹(lièwén)的金相形貌观察可以发现裂纹(lièwén)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(lièwén)的金相形貌，是典型的沿晶开裂。精品资料

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(zhōngděng)大小时是一种穿晶的准解理断裂。精品资料

与此相对(xiāngduì)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。精品资料

图7－21是65Mn钢处理到HRC43的试片断(piànduàn)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。精品资料

延迟氢脆的这类沿晶断口和应力腐蚀(fǔshí)及沿晶析出物脆化不同，它没有腐蚀(fǔshí)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。精品资料

这种微观的塑性变形痕迹是氢致塑性变形高度集中