氢脆断裂讲课讲稿

第六章金属的应力腐蚀与氢脆断裂Chapter 6 Stress Corrosion and Hydrogen Embrittlement ofMetals第一节概述(Brief introduction)1、定义（Definition）在应力和环境介质的共同作用下，金属构件产生破坏行为按其受力情况与破坏方式的不同可分为以下三种基本类型。

应力腐蚀——金属构件在静态或准静态拉应力和环境介质的共同作用下，经过一定的时间后而产生的低应力脆断称为应力腐蚀（SCC）；（包括低碳钢的碱脆、低碳钢的硝脆、奥氏体不锈钢的氯脆和低合金高强度钢的氢脆等）腐蚀疲劳——金属构件在交变应力和环境介质的共同作用下，经过一定的时间后而产生的断裂称为腐蚀疲劳；腐蚀磨损——金属构件在环境介质作用下还受机械摩擦，或者由于腐蚀介质的直接冲刷等引起表面磨损的现象腐蚀磨损。

由于金属的应力腐蚀现象更为普遍，并且其破坏原理更为复杂，氢脆也是极为重要的一种破坏方式，因此本章重点以应力腐蚀和氢脆为主。

同时由于这类腐蚀大多为低应力脆断，因此具有很多的危险性，同时随着航空、原子能、石油化工等工业的迅速发展，这类腐蚀越来越多，因此有必要进行研究。

第二节应力腐蚀（Stress corrosion）（一）应力腐蚀现象及其产生条件(Stress corrosion phenomenon and engendering condition)应力和环境综合作用的结果，其效果不是两者的简单迭加。

绝大多数金属材料在一定介质下都有应力腐蚀倾向。

如：1）低碳及低合金钢的碱脆与硝脆；2）奥氏体不绣钢的氯脆；3）铜合金的氨脆；4）高强度铝合金在空气、蒸馏水中的脆断；5）低合金高强度钢及不锈钢的氢脆等。

可见产生应力腐蚀的条件是：应力、介质及合金的材料（纯金属不会产生应力腐蚀）。

（二）应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征（Fracture mechanism and morphology of stress corrosion）1、断裂机理（Fracture mechanism）目前断裂机理有多种理论，至今尚未得到统一，但主要以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论为主。

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。

螺栓的氢脆断裂氢脆断裂的种类很多，主要分为氢蚀断裂、白点断裂、氢化物致脆断裂和氢致延滞断裂。

螺钉氢脆断裂通常特指是氢致延滞断裂：氢原子侵入螺钉的基体材料，螺钉拧紧后，即螺钉沿轴线承受一定静载荷（拉伸应力），经过一段时间，突然发生脆性断裂。

螺钉氢脆断裂是常见的螺钉失效模式。

螺钉氢脆断裂通常发生于经过热处理和电镀处理的高强度普通螺纹螺钉和表面硬度较高的自攻螺纹螺钉，大多发生在螺钉头与螺杆或光杆与螺纹交接的部位。

螺钉氢脆断裂一般在螺钉组装后48小时内发生。

判定螺钉断裂是否为氢脆断裂最直观的方法是观察断口形貌。

用肉眼或低倍放大镜宏观观察：螺钉氢脆断裂断口与最大正应力方向基本垂直，断口平齐，无明显的塑性变形，断面明显可分成裂纹源区和裂纹扩展区两个区域，裂纹源区呈结晶颗粒状，颜色呈暗灰色，裂纹源区从螺纹的根部开始，沿着螺纹旋转的方向开裂；裂纹扩展区颜色呈银灰色，可见放射状条纹，条纹收敛于裂纹源区。

用扫描电镜或电子显微镜微观观察：裂纹源区呈沿晶断裂（晶界间存在微裂纹）形貌，并存在沿晶二次裂纹，晶粒轮廓鲜明，呈冰糖状，晶粒表面存在大量的鸡爪痕，裂纹扩展区主要呈准解理断裂（在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常沿一定的严格的晶面分离，同时伴随一定的塑性变形痕迹）形貌，部分区域存在韧窝（小凹坑）及沿晶断裂形貌。

螺钉基体材料的氢含量也是判定是否为氢脆断裂的重要依据。

氢含量可用氧氮氢分析仪测得，主要是看含氢量相对于合格的螺钉或电镀处理前的螺钉是否有显著增加。

碳钢材料允许的氢含量尚无严格的标准，但氢对碳钢材料会造成损害是确定无疑的，含氢量的多寡仅表现为对碳钢材料损伤程度的差别。

螺钉的氢脆断裂机理非常复杂，自20世纪40年代螺钉氢脆断裂问题被发现以来，其断裂机理一直是学术界的研究热点，但至今还是没有统一的认知。

比较有名的理论有四种：氢压理论、氢表面吸附理论、晶格脆化理论和位错理论。

其中位错理论能相对较好地解释螺钉氢脆断裂的特点，位错理论认为：当温度低于某一临界温度时，基体材料中的氢在基体形变过程中形成某种气团。

螺栓的氢脆断裂分析螺栓的氢脆断裂是指螺栓在受到氢的腐蚀作用或吸附后，因为氢的存在而引起的断裂现象。

由于氢的小分子尺寸，能够渗透到很多材料中，包括钢材，导致螺栓的氢脆断裂。

氢脆断裂对于螺栓的使用和安全性具有严重影响，因此对其进行分析和预防非常重要。

氢脆断裂的原因可以分为内在原因和外在原因。

内在原因是指材料本身的特性，如材料的晶粒尺寸、合金成分等。

外在原因则是指外部环境对于材料的影响，如温度、湿度、应力等。

首先，氢的渗透是氢脆断裂的关键因素之一、当螺栓表面存在细小的裂纹、孔洞或者较高的应力时，氢能够从周围环境渗透到螺栓中。

渗透的氢原子会进入晶格中，并与材料中的金属原子结合成氢化物。

氢化物形成后，会导致晶格内的应力增大，从而使螺栓变脆并发生断裂。

其次，氢的吸附也是氢脆断裂的重要原因之一、当螺栓表面暴露在含有氢的环境中时，氢原子会吸附在螺栓表面上。

吸附的氢原子会与金属原子结合，并形成氢化物。

这些氢化物的形成会导致螺栓的变脆和断裂。

氢脆断裂的发生与材料的化学成分也有关系。

一些高强度钢材中的合金元素，如锰、硅、铝等，可以减少氢脆的发生。

这是因为合金元素会与氢原子结合形成稳定的化合物，减少氢的渗透和吸附。

在预防螺栓的氢脆断裂中，需要注意以下几点：1.控制氢的渗透和吸附。

可以采用合理的防腐措施，如使用防腐涂层、隔离层等，阻止氢的渗透和吸附。

2.控制螺栓表面的应力。

可以通过合适的螺栓设计和安装方式，减少螺栓表面的应力集中，降低氢的渗透和吸附的可能性。

3.控制材料的成分。

选择合适的材料和合金元素，减少氢脆的发生。

4.对于容易受到氢脆影响的螺栓，在生产和使用过程中应进行严格的检测和监控，及时发现和处理有问题的螺栓，确保使用安全。

总之，螺栓的氢脆断裂是一种非常危险的现象，会对螺栓的使用和安全造成严重影响。

为了预防螺栓的氢脆断裂，需要综合考虑材料的性质、环境因素和设计等多个因素，并采取相应的防腐措施和预防措施，以确保螺栓的使用安全。

螺栓的氢脆断裂分析
氢脆就是指钢材内的氢分子造成的应力集中超过了钢材的强度极限，在钢材内部形成了小裂纹，这种裂纹一旦产生就不能消除，在生产成螺栓后，在内部残余或者外加的应力作用下，就可能导致螺栓断裂。

氢脆只能预防，不能治理，因此需要了解不锈钢螺栓合金钢螺栓氢脆断裂的原因，才能从源头避免氢脆问题的发生。

合金钢螺栓氢脆断裂的原因主要有四种：酸洗时引入氢、熔炼过程未完全去氢、外部环境引入氢、氢致延迟型断裂。

酸洗时引入氢：合金钢螺栓的加工过程中包含酸洗和电镀，而这两个工艺环节容易引入氢原子。

如酸洗磷皂化和皂化过程中都有可能引入氢，尤其是磷化工艺中，在磷酸的作用下，铁和碳形成的了无数原电池，在阳极区工件表面形成磷化膜，在阴极区则放出大量的氢。

这种在加工过程中吸入的氢可以说是螺栓氢脆断裂的主要原因了。

熔炼过程中未完全去除氢：在合金钢螺栓的熔炼过程中，有些氢原子留存是无法避免的，这和熔炼的温度、环境及熔炼过程控制都有较大的关联。

在这个过程中残留的氢原子会在氢脆的产生过程中对螺栓的断裂起到促进作用。

外部环境引入氢：如果螺栓的使用环境长期潮湿，那么也会有部分的氢渗入，如在雨水较多的地区用的螺栓其氢脆断裂的发生比例更高。

氢致延迟型脆性断裂：这就是内部残余应力或外在应力的共同
作用下，引发了氢脆断裂。

想要预防螺栓氢脆断裂，就需要根据实际工况来选择适当的原材料、加工工艺（热处理、电镀、酸洗等），采用严格的预防措施。