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氫脆是溶於鋼中的氫,聚合為氫分子,造成應力集中,超過鋼的強度極限,在鋼內部形成細小的裂紋,又稱白點。氫脆只可防,不可治。氫脆一經產生,就消除不了。在材料的冶鍊過程和零件的製造與裝配過程(如電鍍、焊接)中進入鋼材內部的微量氫(10—6量級)在內部殘餘的或外加的應力作用下導致材料脆化甚至開裂。在尚未出現開裂的情況下可以通過脫氫處理(例如加熱到200℃以上數小時,可使內氫減少)恢復鋼材的性能。因此內氫脆是可逆的。

1氫脆的機理

氫脆的機理學術界還有爭議,但大多數學者認為以下幾種效應是氫脆發生的主要原因:
在金屬凝固的過程中,溶入其中的氫沒能及時釋放出來,向金屬中缺陷附近擴散,到室溫時原子氫在缺陷處結合成分子氫並不斷聚集,從而產生巨大的內壓力,使金屬發生裂紋.
在石油工業的加氫裂解爐里,工作溫度為300-500度,氫氣壓力高達幾十個到上百個大氣壓力,這時氫可滲入鋼中與碳發生化學反應生成甲烷. 甲烷氣泡可在鋼中夾雜物或晶界等場所成核,長大,併產生高壓導致鋼材損傷.
在應力作用下,固溶在金屬中的氫也可能引起氫脆.金屬中的原子是按一定的規則周期性地排列起來的,稱為晶格.氫原子一般處於金屬原子之間的空隙中,晶格中發生原子錯排的局部地方稱為位錯,氫原子易於聚集在位錯附近.金屬材料受外力作用時,材料內部的應力分佈是不均勻的,在材料外形迅速過渡區域或在材料內部缺陷和微裂紋處會發生應力集中.在應力梯度作用下氫原子在晶格內擴散或跟隨位錯運動嚮應力集中區域.由於氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結合力變弱,這樣在高氫區會萌生出裂紋並擴展,導致了脆斷. 另外,由於氫在應力集中區富集促進了該區域塑性變形,從而產生裂紋並擴展. 還有,在晶體中存在著很多的微裂紋,氫向裂紋聚集時有吸附在裂紋表面,使表面能降低,因此裂紋容易擴展.
某些金屬與氫有較大的親和力,過飽和氫與這種金屬原子易結合生成氫化物,或在外力作用下應力集中區聚集的高濃度的氫與該種金屬原子結合生成氫化物.氫化物是一種脆性相組織,在外力作用下往往成為斷裂源,從而導致脆性斷裂.
工業管道的氫脆現象可發生在實施外加電流陰極保護的過程之中:現階段為了防止金屬設備發生腐蝕,一般大型的工業管道都採用外加電流的陰極保護方式,但是這種方式也能引發雜散電流干擾的高風險,可導致過保護,引發防腐層的破壞及管材氫脆。

2特殊情況

熱處理的方法是將工件加熱至某一溫度,保溫一段時間,緩冷,使氫隨溶解度逐漸變小,逐漸析出。但加熱會破壞鍍層,因此熱處理的方法對於經過電鍍的工件並不適用。

3如何防治

首先,盡量縮短酸洗時間;其次加緩蝕劑,減少產氫量。
壓力容器的氫脆(或稱氫損傷)是指它的器壁受到氫的侵蝕,造成材料塑性和強度降低,並因此而導致的開裂或延遲性的脆性破壞。高溫高壓的氫對鋼的損傷主要是因為氫以原子狀態滲入金屬內,並在金屬內部再結合成分子,產生很高的壓力,嚴重時會導致表面鼓包或皺摺;氫與鋼中的碳結合,使鋼脫碳,或使鋼中的硫化物與氧化物還原。造成壓力容器氫脆破壞的氫,可以是設備中原來就存在的,例如,鍊鋼、焊接過程中的濕氣在高溫下被還原而生成氫,並溶解在液體金屬中。或設備在電鍍或酸洗時,鋼表面被吸附的氫原子過飽和,使氫滲入鋼中;也可以是使用後由介質中吸收進入的,例如在石油、化工容器中,就有許多介質中含氫或含混有硫化氫的雜質。鋼發生氫脆的特徵主要表現在微觀組織上。它的腐蝕面常可見到鋼的脫碳鐵素體,氫脆層有沿著晶界擴展的腐蝕裂紋。腐蝕特別嚴重的容器,宏觀上可以發現氫脆所產生的鼓包。介質中含氫(或硫化氫)的容器是否會發生氫脆,主要決定於操作溫度、氫的分壓、作用時間和鋼的化學成分。溫度越高、氫分壓越高,碳鋼的氫脆層就越深,發生氫脆破裂的時間也越短,其中溫度尤其是重要因素。鋼的含碳量越高,在相同的溫度和壓力條件下,氫脆的傾向越嚴重。鋼中添有鉻、鈦、釩等元素,可以阻止氫脆的產生。
出現氫脆的工件通過除氫處理(如加熱等)也能消除氫脆,採用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。如電鍍件的去氫都在200~240度的溫度下,加熱2~4小時可將絕大部分氫去除。
氫在常溫常壓下不會對鋼產生明顯的腐蝕,但當溫度超過300℃和壓力高於30MPa時,會產生氫脆這種腐蝕缺陷,尤其是在高溫條件下。如合成氨生產過程中的脫硫塔、變換塔、氨合成塔;煉油過程中的一些加氫反應裝置;石油化工生產過程中的甲醇合成塔等。
二:氫脆-鋼材中的氫會使材料的力學性能脆化,這種現象稱為氫脆。主要發生在碳鋼和低合金鋼中。

4消除措施

(1)、減少金屬中滲氫的數量,必須盡量減少高強度/高硬度鋼製緊固件的酸洗,因為酸洗可加劇氫脆。在除銹和氧化皮時,盡量採用噴砂拋丸的方法,若洛氏硬度等於或大於HRC 32的緊固件進行酸洗時,必須在制定酸洗工藝時確保零件在酸中浸泡的時間最長不超過10分鐘。並應盡量降低酸液的濃度,並保證零件在酸中浸泡的時間不超過10分鐘;在除油時,採用清洗劑或溶劑除油等化學除油方式,滲氫量較少,若採用電化學除油,先陰極后陽極,高強度零件不允許用陰極電解除油;在熱處理時,嚴格控制甲醇和丙烷的滴注量;在電鍍時,鹼性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。
(2)、採用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍塗層一般認為,在電鍍Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb時,滲入鋼件的氫容易殘留下來,而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金屬鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度,滲氫較少。在滿足產品技術條件要求的情況下,可採用不會造成滲氫的塗層,如機械鍍鋅或無鉻鋅鋁塗層,不會發生氫脆,耐蝕性高,附著力好,且比電鍍環保。
(3)鍍前去應力和鍍後去氫以消除氫脆隱患若零件經淬火、焊接等工序后內部殘留應力較大,鍍前應進行回火處理,回火消除應力實際上可以減少零件內的陷阱數量,從而減輕發生氫脆的隱患。
⑷、控制鍍層厚度,由於鍍層覆蓋在緊固件表面,鍍層在一定程度上會起到氫擴散屏障的作用,這將阻礙氫向緊固件外部的擴散。當鍍層厚度超過2.5μm時,氫從緊固件中擴散出去就非常困難了。因此硬度<32HRC的緊固件,鍍層厚度可以要求在12μm;硬度≥32HRC的高強度螺栓,鍍層厚度應控制在8μmmax。這就要求在產品設計時,必須考慮到高強度螺栓的氫脆風險,合理選擇鍍層種類和鍍層厚度.
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