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材料氢脆问题防控专题培训班课程大纲
（一）概论
1．机械零构件的主要失效模式
2．环境断裂历史的简要回顾
3．定义与分类
（二）应力腐蚀开裂(断裂)
1．SCC发生的条件与特征
2．应力腐蚀开裂机理简介
3．预防SCC的途径
4．SCC失效分析案例4.3
（三）氢致开裂
1．引言
2．氢致开裂条件
3．氢致开裂机理简介
4．氢致开裂的特征
5．预防氢致开裂的途径
6．HIC失效分析案例
案例1 飞机起落架上的螺栓断裂失效分析
案例2 55CrSi(SUP12)钢线材在成品盘条
内的断裂失效分析
案例3 圆柱螺旋拉簧镀锌工艺过程中的
断裂失效分析
（四）氢脆概要
1．几个概念
2．钢的强度级别与氢脆敏感性(表1-1)
3．一种钢不同强度水平对氢脆的敏感性(图1-2) 4．氢脆的门槛应力与门槛氢含量的关系(图1-3) 5．减少氢脆危险6．持续载荷试验法（延迟破坏试验）7．可扩散氢测定法
（五）氢脆试验方法
1．持续载荷试验法（延迟破坏试验）2．可扩散氢测定法等
（六）高强度钢低氢脆防护工艺
1.国外高强度钢防护概况
2.国内高强度钢防护现状
3.国外松孔镀镉、氰化镀Cd-Ti
4.国内无氰镀Cd-Ti
5.松孔镀镉与镀Cd-Ti比较
6.其他低脆性防护工艺及其标准
7.关于镀前消除应力与镀后除氢
8.关于镀前清理
9.低氢脆刷镀镉工艺。
去氢处理，也称除氢处理，一般对电镀前后必须进行工序，特别是对高强度高硬度的零件在电镀工艺中。
氢脆的原理与预防在任何电镀溶液中，由于水分子的离解,总或多或少地存在一定数量的氢离子。
因此,电镀过程中，在阴极析出金属（主反应）的同时,伴有氢气的析出(副反应）.析氢的影响是多方面的，其中最主要的是氢脆.氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一，析氢严重的零件在使用过程中就可能断裂，造成严重的事故.表面处理技术人员必须掌握避免和消除氢脆的技术,氢脆的影响降低到最低限度.一、氢脆1氢脆现象氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。
曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件，在装配之后数小时内陆续发生断裂，断裂比例达40％~50％。
某特种产品镀镉件在使用过程中曾出现过批量裂纹断裂,曾组织过全国性攻关，制订严格的去氢工艺。
另外，有一些氢脆并不表现为延迟断裂现象，例如：电镀挂具（钢丝、铜丝）由于经多次电镀和酸洗退镀,渗氢较严重,在使用中经常出现一折便发生脆断的现象;猎枪精锻用的芯棒，经多次镀铬之后，堕地断裂;有的淬火零件（内应力大)在酸洗时便产生裂纹。
这些零件渗氢严重，无需外加应力就产生裂纹，再也无法用去氢来恢复原有的韧性.2 氢脆机理延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集，应力集中部位的金属缺陷多（原子点阵错位、空穴等）。
氢扩散到这些缺陷处，氢原子变成氢分子,产生巨大的压力，这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力，组成一个合力，当这合力超过材料的屈服强度，就会导致断裂发生.氢脆既然与氢原子的扩散有关，扩散是需要时间的,扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关.因此，氢脆通常表现为延迟断裂.氢原子具有最小的原子半径,容易在钢、铜等金属中扩散，而在镉、锡、锌及其合金中氢的扩散比较困难.镀镉层是最难扩散的,镀镉时产生的氢,最初停留在镀层中和镀层下的金属表层，很难向外扩散，去氢特别困难。
经过一段时间后,氢扩散到金属内部，特别是进入金属内部缺陷处的氢，就很难扩散出来。
涨姿势！一文彻底搞清楚什么是氢脆？随着工程机械、汽车等行业的快速发展，为降低成本、增“强”减重，以实现节能降耗的目标，国内外广泛探索工程机械及汽车的轻量化方法。
要最大限度地减轻设备质量，一个有效的途径就是提高钢的强度级别。
近年来，工程机械用钢从500~600MPa级快速上升至800MPa、1000MPa，甚至1500MPa。
然而，随着强度提高，钢的延迟断裂敏感性也随之增大，氢致延迟断裂敏感性高已经成为制约高强度级别钢种推广应用的一个重要因素。
高强钢的氢致延迟断裂现象延迟断裂是材料在静止应力的作用下，经过一定时间后突然发生脆性破坏的一种现象，它是材料—环境—应力之间相互作用的结果，是氢致材质恶化的一种形态。
延迟断裂现象的产生是由于材料内部的氢向应力集中的部位扩散聚集，这些应力集中的部位往往缺陷较多（原子点阵错位、空穴等），氢扩散到这些缺陷处，氢离子合成氢原子，氢原子进一步合成氢分子，将产生巨大的压力。
这个压力与材料内部的残余应力以及材料服役状态下所承受的外加应力，形成一个合力，当这个合力超过材料的屈服强度时，就会导致断裂的发生。
由于延迟断裂常常在材料所承受的外加应力水平显著低于其屈服强度时突然发生，具有其不可预知性，因此，往往导致较为严重的破坏和后果。
随着超高强度级别钢的发展及其应用领域的不断拓展，延迟断裂现象受到更大程度的关注。
以汽车零部件为例，其产品形状复杂，变形量大，车厂、零部件制造商及材料供应商对延迟断裂性能更加重视，已经成为材料性能认证项目之一。
延迟断裂行为的影响因素金属材料的延迟断裂行为是在材料、环境和应力三者共同作用下发生的，与材料的特性以及受力状态、服役环境密切相关。
材料强度的影响。
一般来讲材料的强度越高，其延迟断裂敏感性越大。
一般认为1000MPa是一个危险的水平，即抗拉强度低于1000MPa时钢材耐延迟开裂的性能相对较好，而当材料强度大于1000MPa时，其延迟断裂敏感性较高。
HIC 的类型1、 氢气压力引起的开裂溶解在材料中的H 在某些缺陷部位析出气态氢H 2（或与氢有关的其它气体），当H 2的压力大于材料的屈服强度时产生局部塑性变形，当H 2的压力大于原子间结合力时就会产生局部开裂。
某些钢材在表面酸洗后能看到象头发丝一样的裂纹，在断口上则观察到银白色椭圆形斑点，称为白点。
白点的形成是氢气压力造成的。
钢的化学成分和组织结构对白点形成有很大影响，奥氏体钢对白点不敏感；合金结构钢和合金工具钢中容易形成白点。
钢中存在内应力时会加剧白点倾向。
焊接件冷却后有时也能观察到氢致裂纹。
焊接是局部冶炼过程，潮湿的焊条及大气中的水分会促进氢进入焊接熔池，随后冷却时可能在焊肉中析出气态氢，导致微裂纹。
焊接前烘烤焊条就是为了防止氢致裂纹。
2、氢化物脆化许多金属（如Ti 、Zr 、Hf 、V 、Nb 、Ta 、稀土等）能够形成稳定的氢化物。
氢化物属于一种脆性相，金属中析出较多的氢化物会导致韧性降低，引起脆化。
3、氢致滞后断裂材料受到载荷作用时，原子氢H 向拉应力高的部位扩散形成H 富集区。
当H 的富集达到临界值时就引起氢致裂纹形核和扩展，导致断裂。
由于H 的扩散需要一定的时间，加载 后要经过一定的时间才断裂，所以称为氢致滞后断裂。
氢致滞后断裂的外应力低于正常的抗拉强度，裂纹试件中外加应力场强度因子也小于断裂韧度。
氢致滞后断裂是可逆的，除去材料中的氢就不会发生滞后断裂。
即使在均匀的单向外加应力下，材料中的夹杂和第二相等结构不均匀处也会产生应力集中，导致氢的富集。
设应力集中系数为α，则σh =ασ，应力集中处的氢浓度为：式中，C H －合金中的平均氢浓度；V H －氢在该合金中的偏摩尔体积（恒温、恒压下加入 1 摩尔氢所引起的金属体积的变化）。
若氢的浓度达到临界值C th 时断裂，对应的外应力即为氢致滞后断裂的门槛应力σth ，即：•若σth 裂；• 若σ＞σth ，经过时间 t f 后，发生断裂，且应力越大，滞后断裂时间越短。
核电厂燃料包壳破损原因分析及改进建议摘要：核电厂利用核燃料的核裂变释放能量，从而带动汽轮发电机组发电，是核电厂能量的主要来源，也是核电厂放射性的主要来源。
当前国内外核电厂都已经发生了多起燃料破损问题，若控制不当，可能导致放射性外泄，对工作人员和公众带来辐照风险，本文就燃料破损影响、原因进行分析并提出燃料防护的改进建议。
关键字：核电厂三道屏障燃料包壳包壳破损放射性1.背景国内核电厂从1990年投运至今，绝大多数的核电厂都出现过燃料破损情况，而国外的核电大国——美国，运行机组在2017年到2019年中，所有核电站都出现了燃料组件失效，可以看出，随着核电厂寿期的延伸，燃料包壳破损演变为必然事件，对工作人员的正常工作，特别是例行的大修，带来了较大的照射风险。
1.燃料包壳的作用由于核安全的重要性，根据纵深防御的设计原则，核电厂在放射性产物与人所处的环境之间，设置了多道屏障，力求最大限度地包容放射性物质，尽可能减少放射性物质向周围环境的释放。
屏障的数量和性能取决于风险的大小，当反应堆运行时，有以下三道屏障：燃料元件包壳；一回路压力边界；安全壳。
如图1所示，在核电站的设计与运行过程中，应最大限度地保障这三道屏障的完整性，但绝对的密封是不可能的。
图 1 核电厂三道屏障示意图燃料包壳是反应堆放射性物质的第一道屏障，它将裂变反应产生的放射性物质包容在燃料棒中，防止裂变产物释放到一回路导致放射性水平升高。
百万千瓦级大型压水堆堆芯有超过40000根燃料元件，这些燃料元件的包壳就构成了核电站的第一道屏障，裂变产物有固态的、也有气态的，它们中的绝大部分都被容纳在二氧化铀燃料芯块内，只有气态的裂变产物能部分地扩散出芯块，进入芯块和包壳之间的间隙内。
燃料元件包壳的工作条件是相当苛刻的，它既要受到强烈中子辐照、高温高速冷却剂的腐蚀、侵蚀，又要受到热的、机械的应力作用。
第一道屏障的可能缺陷就是包壳的破损。
包壳一旦破损，裂变产物就将穿过包壳进入一回路冷却剂中，存在潜在的放射性外泄风险。
氢脆（hydrogen embrittlement）是指金属材料在冶炼，加工，热处理，酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用时，材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化，发生脆断的现象．从机械性能上看，氢脆有以下表现：氢对金属材料的屈服强度和极限强度影响不大，但使延伸率是断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值显著降低．在低于断裂强度拉伸应力的持续作用下，材料经过一段时期后会突然脆断．氢脆的机理学术界还有争议，但大多数学者认为以下几种效应是氢脆发生的主要原因：1. 在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹．2. 在石油工业的加氢裂解炉里，工作温度为300-500度，氢气压力高达几十个到上百个大气压力，这时氢可渗入钢中与碳发生化学反应生成甲烷．甲烷气泡可在钢中夹杂物或晶界等场所成核，长大，并产生高压导致钢材损伤．3. 在应力作用下，固溶在金属中的氢也可能引起氢脆．金属中的原子是按一定的规则周期性地排列起来的，称为晶格．氢原子一般处于金属原子之间的空隙中，晶格中发生原子错排的局部地方称为位错，氢原子易于聚集在位错附近．金属材料所外力作用时，材料内部的应力分布是不均匀的，在材料外形迅速过渡区域或在材料内部缺陷和微裂纹处会发生应力集中．在应力梯度作用下氢原子在晶格内扩散或跟随位错运动向应力集中区域．由于氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，这样在高氢区会萌生出裂纹并扩展，导致了脆断．另外，由于氢在应力集中区富集促进了该区域塑性变形，从而产生裂纹并扩展．还有，在晶体中存在着很多的微裂纹，氢向裂纹聚集时有吸附在裂纹表面，使表面能降低，因此裂纹容易扩展．4. 某些金属与氢有较大的亲和力，过饱和氢与这种金属原子易结合生成氢化物，或在外力作用下应力集中区聚集的高浓度的氢与该种金属原子结合生成氢化物．氢化物是一种脆性相组织，在外力作用下往往成为断裂源，从而导致脆性断裂．氢脆给人类利用金属带来了风险，因此研究氢脆的目的主要在于防止氢脆，由于氢脆的原因很多，而且人类的认识也不够透彻完整，所以现在还无法完全防止氢脆．目前防止氢脆的措施有以下几种：1. 避免过量氢带入--在金属的冶炼过程中降低相对湿度，对各种添加剂和钢锭模进行烘烤保持干燥．2. 去氢处理--减缓钢锭冷却速度使氢有足够的时间逸出，或把钢材放在真空炉中退火除氢．3. 钢中添加适当的合金元素，形成弥散分布的第二相，做为氢的不可逆陷阱，使得材料中的可活动氢的含量相对地减少，从而降低材料的氢脆倾向．4. 发展新的抗氢钢种，氢在体心立方晶体结构中的扩散速度比六角密堆结构或面心立方结构中的扩散速度高得多，所以抗氢钢常以具有面心立方结构的相为基，再加其他强化措施，可使其满足使用强度要求．5. 采用适当的防护措施--在酸洗或电镀时在酸液或电解液中添加缓蚀剂，使溶液中产生的大量氢原子在金属表面相互结合成氢分子直接从溶液中逸出，避免氢原子进入金属内部．此外，在构件外涂敷防腐层或在工作介质中施加保护电位，可避免构件与介质反应生成氢．一般在使用氧炔焰时产生氢脆的可能性比较小。
氢脆断裂的失效分析1. 氢损伤的特点和分类氢损伤指在金属中发生的一些过程，这些过程导致金属的承载能力因氢的出现而下降。
氢损伤可以按照不同方式分类。
按照氢损伤敏感性与应变速度的关系分为两大类。
第一类氢损伤的敏感性随应变速度的增加而增加，其本质的是在加载前材料内部已存在某种裂纹源，故加载后在应力作用下加快了裂纹的形成和扩展。
第二类氢损伤的敏感性随应变速度的增加而降低，其本质是加载前材料内部并不存在裂纹源，加载后由于应力与氢的交互作用逐渐形成裂纹源，最终导致材料的脆性断裂。
1.1第一类氢损伤第一类氢损伤包括以下几种形式：(1)氢腐蚀由于氢在高温高压下与金属中第二相夹杂物货合金添加物发生化学反应，生成的高压气体，这些高压气体造成材料的内裂纹和鼓泡，使晶界结合力减弱，最终使金属失去强度和韧性。
(2)氢鼓泡过饱和的氢原子在缺陷位置(如夹杂)析出后，形成氢分子，在局部造成很高氢气压，引起表面鼓泡货内部裂纹。
(3)氢化物型氢脆氢与周期表中ⅣB或ⅤB族金属亲和力较大，容易生成脆性的氢化物相，这些氢化物在随后受力时成为裂纹源和扩展途径。
氢在上述三种情况下造成了金属的永久性损伤，使材料的塑性或强度降低，即使从金属中除氢，这些损伤也不能消除，塑性或强度也不能恢复，故称为不可逆损伤。
1.2第二类氢损伤第二类氢损伤包括以下几种形式：(1) 应力诱发氢化物型氢脆在稀土、碱土及某些过渡族金属中，当氢含量不高时，氢在固溶体中的过饱和度较低，尚不能自发形成氢化物。
在加载后，由于应力作用，使氢在应力集中处富集，最终形成氢化物。
这种应力应变作用诱发的氢化物相变。
只是在较低的应变速度下出现的。
然而，一旦出现氢化物，即使去载荷除氢，静止一段时间后，再高速变形，塑性也不能恢复故也属于不可逆氢脆。
(2) 可逆氢脆含氢金属在缓慢的变形中逐渐形成裂纹源,裂纹扩展后最终发生脆断。
但在未形成裂纹前,去载荷除氢,静止一段时间后再高速变形,材料的塑性可以得到恢复,为可逆氢脆。
