如何防控氢致损伤

氢原子由于尺寸极小，很容易渗入和扩散至金属材料晶体结构内部，导致材料发生脆性断裂，将氢原子造成的这种损伤称为氢致损伤（hydrogen damage）。与应力腐蚀类似，氢致损伤也是导致材料突然失效的原因之一。然而，与应力腐蚀不同的是，氢致损伤的产生无拉伸应力的参与，尽管拉伸应力的出现往往会导致损伤情形变得更加严重。氢致损伤不仅包含金属韧度的降低，而且涉及金属材料的开裂以及材料其他物理性能或化学性能的下降。不同金属材料的氢致损伤机理有所不同。氢致损伤种类主要包括：

（1）氢脆（hydrogen embrittlement）；

（2）氢鼓泡（hydrogen-induced blistering）；

（3）内部氢沉积致使开裂（cracking from precipitation of internal hydrogen）；

（4）氢侵蚀（hydrogen attack）；

（5）氢化物形成（hydride formation）。

其中，氢脆主要发生在体心立方和密排六方结构中，而在经热处理的高强钢中氢脆现象显得尤为突出。通常，钢材的强度越高，就越易受氢脆的影响。氢脆一般具有以下特点：①延迟失效，即材料从氢的侵入到失效需要经历较长的时间。②应变率敏感性，与常见的脆性断裂不同，在低应变率下，氢脆问题将变得更加严重。③温度依赖性，即氢脆发生在温度适中的情况下，而当温度较低或者较高时，氢脆一般不会出现。例如，在室温条件下，钢材最易发生氢脆。

图11-7是带凹口试样在有氢和无氢影响下的静态拉伸行为的比较（横坐标是时间的对数）。其中，在失效发生以前存在一定的时间延迟。而且，当应力低于一定水平时，失效将不会发生。氢含量越高，材料在失效前所能承受的应力越低。如图11-8所示，氢脆会导致材料延展性大幅降低。材料内部氢浓度越高，材料的延展性越差。随着材料极限拉伸强度（ultimate tensile strength，UTS）的不断升高，氢致材料延展性的衰退就越发明显。氢脆没有与之对应的唯一的断裂模式。如图11-9所示，氢脆所导致的断裂可以是穿晶断裂或者沿晶断裂，呈现出脆性失效和延性失效的共同特点。

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图11-7　氢对材料静态强度的影响［7］

图11-8　氢对钢材延展性的影响［7］

注：1 ksi=6.84 MPa。

图11-9　氢脆导致的断裂

（a）301奥氏体不锈钢穿晶断裂；（b）4130钢材沿晶断裂［2］

控制材料氢致损伤的主要因素包括：材料、应力以及环境。通过选用具有较高抗氢致损伤能力的材料、改变材料的制备过程、采用能降低材料的应力的结构设计方案以及改变材料的服役环境等，氢致损伤将能得到有效的防止。此外，抑制剂和退火处理也可以用于材料氢致损伤的防控。例如，对于电镀高强度钢部件，进行退火处理将有效地移除材料内部的氢，降低材料发生氢脆的概率。