黑金屬件氫脆常識

1、http: /wiki/%E6%B0%AB%E8%84%86特別注意緊固件的氫脆http:/www.wjw.Cn/content/wjzx/2008/8/22/97421.shtml-一 原始郵件-一發(fā)件人：甘霖發(fā)件時(shí)間:2010-03-08 11:20:07什么叫"氫脆"，如何防止"氫脆"氫脆（hydrogen embrittlement）是指金屬材料在冶煉，加工，熱處理，酸洗和電鍍等過程中，或在 含氫介質(zhì)中長期使用時(shí)，材料由于吸氫或氫滲而造 成機(jī)械性能嚴(yán)重退化，發(fā)生脆斷的現(xiàn)象.1.氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。

2、氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超 過鋼的強(qiáng)度極限，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋，又稱白點(diǎn)。氫脆 只可防，不可治。2內(nèi)氫脆在材料的冶煉過程和零件的制造與裝配過程（如電鍍、焊接）中進(jìn)入鋼材內(nèi)部的微量氫（10-6量級）在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng) 力作用下導(dǎo)致材料脆化甚至開裂。在尚未由現(xiàn)開裂的情況下可 以通過脫氫處理（例如加熱到200 c以上數(shù)小時(shí)，可使內(nèi)氫減少） 恢復(fù)鋼材的性能。因此內(nèi)氫脆是可逆的。3. 熱處理不適用的情況熱處理的方法是將工件加熱至某一溫度，保溫一段時(shí)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于經(jīng)過電鍍的工件并不適用。4. 如何防治。首先

3、，盡量縮短酸洗時(shí)間；其次加緩蝕劑，減少產(chǎn)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(qiáng)度降低，并因此而導(dǎo)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?yàn)闅湟栽訝顟B(tài)滲入金屬內(nèi)，并在金屬內(nèi)部再結(jié)合成分子，產(chǎn)生很高的壓力，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致表面鼓包或皺折；氫與鋼中的碳結(jié)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(shè)備中原來就存在的，例如，煉鋼、焊接過程中的濕氣在高溫下被還原而生成氫，并溶解在液體金屬中。或設(shè)備在電鍍或酸洗時(shí)，鋼表面被吸附的氫原子過飽和，使氫滲入鋼中；也可以是使用后由介質(zhì)中吸收進(jìn)入的，例如在石油、化工容器中，就有

4、許多介質(zhì)中含氫或含混有硫化氫的雜質(zhì)。鋼發(fā)生氫脆的特征主要表現(xiàn)在微觀組織上。它的腐蝕面?？梢姷戒摰拿撎艰F素體，氫脆層有沿著晶界擴(kuò)展的腐蝕裂紋。腐蝕特別嚴(yán)重的容器， 宏觀上可以發(fā)現(xiàn)氫脆所產(chǎn)生的鼓包。介質(zhì)中含氫（ 或硫化氫 ） 的容器是否會發(fā)生氫脆，主要決定于操作溫度、氫的分壓、作用時(shí)間和鋼的化學(xué)成分。溫度越高、氫分壓越高，碳鋼的氫脆層就越深，發(fā)生氫脆破裂的時(shí)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(yán)重。鋼中添有鉻、鈦、釩等元素，可以阻止氫脆的產(chǎn)生。出現(xiàn)氫脆的工件通過除氫處理（如加熱等）也能消除氫脆，采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。如電鍍件

5、的去氫都在200240度的溫度下，加熱24小時(shí)可將絕大部分氫 去除。氫在常溫常壓下不會對鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當(dāng)溫度超過300c和壓力高于30MPa寸，會產(chǎn)生氫脆這種腐蝕缺陷，尤其是在高溫條件下。如合成氨生產(chǎn)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(yīng)裝置；石油化工生產(chǎn)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(xué)性能脆化，這種現(xiàn)象稱為氫脆。主要發(fā)生在碳鋼和低合金鋼中。氫脆是指由于氫原子在金屬組織中夾雜而導(dǎo)致金屬變脆的現(xiàn)象。鋼鐵件在電鍍加工過程中出現(xiàn)氫脆的情況較多。這主要是在進(jìn)行酸洗、陰極除油、電鍍等過程中，都有還原態(tài)氫原子生成，由于氫原子的半徑最小，可以自由進(jìn)入金

6、屬結(jié)晶的間隙占據(jù)一定的晶位，使晶格變形，帶來內(nèi)應(yīng)力或使基體或鍍層局部硬度增加，造成脆性，這就是常說的氫脆。進(jìn)入基體和鍍層間的氫還會使鍍層起泡。氫脆對高強(qiáng)度鋼和彈性制件的危害特別大，在人們沒有認(rèn)識氫脆的危害以前，曾經(jīng)因?yàn)闅浯嗟膶?shí)際存在而造成過許多嚴(yán)重的質(zhì)量事故，造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和人員傷亡事故。因此在認(rèn)識到氫脆的嚴(yán)重危害性以后，防止氫脆就成為電鍍等有滲氫可能的加工工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了防止氫脆，在酸洗液中要加入一些緩蝕劑，抑制氫的析出。電解除油要采用陽極電解。電鍍中也要采用較大電流密度和采用電流效率高的鍍種等。同時(shí)，對于氫脆敏感的制件，在電鍍完成后，要在恒溫箱中200去氫2h， 以除去氫脆的影

7、響。對要求很高的產(chǎn)品可以進(jìn)行真空除氫。金屬材料發(fā)生脆化現(xiàn)象，大致上可以分為兩類：一類是在一定的溫度條件下出現(xiàn)的脆性，或者是在一定的溫度條件下，經(jīng)過一段時(shí)期后出現(xiàn)的脆性。這時(shí)，金屬的組織變化并不明顯。屬于這一類的有冷脆性、熱脆性、紅脆性及回火脆性。另一類是由于金屬長期在高溫、應(yīng)力、 浸蝕介質(zhì)的作用下，金屬的顯微組織發(fā)生變化，從而引起材料發(fā)生脆化的現(xiàn)象。屬于這一類的有苛性脆化、氫脆、石墨化等。冷脆性是指材料在低溫下呈現(xiàn)的脆性。我們在 " 金屬的韌性" 中談到的各種在低溫條件下發(fā)生的低應(yīng)力破壞，均是由于金屬材料冷脆性所導(dǎo)致的結(jié)果。某些鋼材長時(shí)間停留在大約400-500 溫度區(qū)間后

8、冷卻到室溫，其沖擊韌性值出現(xiàn)明顯下降，這種現(xiàn)象稱為金屬的熱脆性。呈現(xiàn)熱脆性的鋼材在高溫下并不脆，只有當(dāng)冷至室溫時(shí)，才顯出脆性。這時(shí)， 鋼材的沖擊值很低。- 般可以比其正常值下降 50-60 ，甚至下降8090。具有熱脆性的鋼材，它的金相組織沒有明顯的變化，鋼材的其他性能也基本上沒有變化?；痣姀S的主蒸汽管道、高溫螺栓具有熱脆性趨向，檢修時(shí)工藝操作不當(dāng)，容易損壞設(shè)備部件。鋼的紅脆性發(fā)生在含硫較多的鋼材中，大約在溫度800900cC以上時(shí)，呈現(xiàn)較大的脆性，在鍛打時(shí)容易開裂。 因?yàn)檫@個溫度下鋼材呈紅色，所以稱為紅脆性。產(chǎn)生紅脆性的原因，是由于硫以硫化鐵和硫的氧化物的形式存在于鋼中，它們形成易于熔化的共

9、晶體，網(wǎng)狀分布在晶界上，當(dāng)鋼被加熱到800以上時(shí)，這種網(wǎng)狀共晶體明顯地軟化，使晶間強(qiáng)度減弱而脆裂。一般碳鋼在淬火后進(jìn)行回火處理，其沖擊韌性隨著回火溫度的提高而增加。但對于莫些鋼，發(fā)現(xiàn)在經(jīng) 250400 ° C的回火處理后，其常溫沖擊韌性反而降低，甚至低于低溫回火時(shí)的沖擊值， 這種現(xiàn)象稱為回火脆性?？列源嗷话惆l(fā)生在鍋爐鉚接、脹接的接觸表面上，它的主要破壞形式是產(chǎn)生裂紋。由于產(chǎn)生的裂紋與存在苛性鈉氫氧化鈉有關(guān)，同時(shí)由于這種破裂沒有明顯的塑性變形，屬于脆裂性質(zhì)，因而稱為" 苛性脆化" 。金屬與合金在應(yīng)力的作用下，純粹由于氫的緣故，經(jīng)過一定的時(shí)間以后，材料的塑性與韌性急

10、劇下降，出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，稱為氫脆。氫脆是一種延遲破壞，即使材料在低于屈服強(qiáng)度的拉應(yīng)力作用下，經(jīng)過一段時(shí)期后，仍然會發(fā)生突然斷裂。由于金屬材料在冶煉、熱加工、焊接、電鍍、酸洗等過程中吸收了過量的氫，當(dāng)鋼中的氫含量超過5-10ppm時(shí)，就易由現(xiàn)氫脆。另外，在含氫的氣體或液體介質(zhì)中工作的零件，有可能使氫進(jìn)入金屬材料的內(nèi)部，使材料的性能降低，出現(xiàn)氫脆。由于氫在鋼中所表現(xiàn)的復(fù)雜行為和脆性破壞，工程上發(fā)生了許多嚴(yán)重破壞事故，造成巨大損失。因此， 重要部件用鋼，必須嚴(yán)格限制鋼中的含氫量，并且不允許有白點(diǎn)存在。另外，重要元件的焊接過程中，必須采取嚴(yán)格的工藝措施，選用低氫型焊條、焊絲，并在使用前充分烘干，去除水分

11、及油污，盡量減少焊接過程中氫的吸入量。緊固件熱處理后的氫脆 緊固件的氫脆是由于在早期處理過程中有氫原子進(jìn)入材料內(nèi) 部。多數(shù)情況下，緊固件在承受靜態(tài)拉伸載荷的條件下發(fā)生氫 脆。在進(jìn)行高應(yīng)變速率材料試驗(yàn)，如普通拉伸試驗(yàn)時(shí)，不易發(fā) 生氫脆。氫原子通常向材料中承受三向應(yīng)力的區(qū)域擴(kuò)散。材料 中的應(yīng)力水平與系統(tǒng)中氫的聚集程度將影響氫擴(kuò)散到陷阱位置 的比例。氫在陷阱位置的聚集將使得材料的斷裂應(yīng)力下降，以 致在材料中出現(xiàn)裂紋形成、裂紋擴(kuò)展及至失效等現(xiàn)象。氫在承 受靜載的緊固件中的擴(kuò)散可以通過氫脆斷裂前的延遲時(shí)間而直 接觀察到。由于材料的氫脆傾向、材料中氫的總量、氫的擴(kuò)散 比以及旋加應(yīng)力水平的不同，氫脆斷裂時(shí)間

12、延遲的變化很大， 從幾分鐘到幾天或幾周不等。如果緊固件在處理過程中曾經(jīng)接觸過具有氫離子的環(huán)境，它就 有可能發(fā)生氫脆。在鋼發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的過程中產(chǎn)生氫 的任何處理都將使氫進(jìn)入材料，從而增加材料的氫脆傾向。汽 車工業(yè)中使用的鋼質(zhì)緊固件在環(huán)境腐蝕、陰極電解除油、酸液 去氧化皮、化學(xué)清洗、發(fā)黑和電鍍一類的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理?xiàng)l件下， 都將與活性氫原子直接接觸。由于電鍍處理過程將產(chǎn)生氫，其對鋼制緊固件氫的吸收所起作用最大。電鍍過程中吸收氫的總量在很大程度上取決于電鍍液的效率?？偟膩碚f，高效電鍍處理產(chǎn)生的氫比低效電鍍處理產(chǎn)生的氫要少。電鍍滾桶中電鍍液裝載量的過多或過少等因素將對電鍍處理的效率產(chǎn)生很大的 影

13、響。其它與鋼作用時(shí)產(chǎn)生氫的過程，如酸洗、熱處理后去氧化皮或鍍前處理，其影響也都是不容忽視的。John-son 的研究很好地描述了浸入酸液對鋼的韌性的影響。緊固件處理過程中對氫的吸收是累積性的。單一的某種處理引入零件的氫或許不足以導(dǎo)致氫脆，但多種處理引入零件的氫的累積卻有可能導(dǎo)致氫脆。電鍍或清洗過程中氫吸收的不利影響可在電鍍后的加熱處理(通常是指烘烤)過程中予以消除或減輕。氫脆危害的嚴(yán)重程度通常取決于緊固件的強(qiáng)度級別和/ 或冷加工狀況。Troiano 曾經(jīng)給出過失效時(shí)間與氫含量及烘烤時(shí)間之間的關(guān)系。通過烘烤，材料中氫的聚集減輕，失效時(shí)間和較低的臨界應(yīng)力水平則得以延長和提高。這里，臨界應(yīng)力水平是指

14、低于其下就不會發(fā)生氫脆的應(yīng)力水平，類似于疲勞極限。烘烤時(shí)間是否足夠主要取決于材料的硬度級別、電鍍過程、鍍層類型和鍍層厚度。 經(jīng)電鍍處理的較低硬度水平(W35HRC的緊固件一般應(yīng)至少烘烤4小時(shí)；同樣的鍍層，但硬度水平較高(A 36HRC的緊固件一般應(yīng)至少烘烤 8小時(shí)。曾有建議指由硬度在 3133HRCL間的緊固件應(yīng)烘烤 8小時(shí)；硬度在3336HR(±問的緊 固件應(yīng)烘烤10小時(shí)；硬度在3639HRC1的緊固件烘烤12小時(shí)。硬度在3943HR(±間的緊固件應(yīng)烘14小時(shí)。烘烤工藝的制訂應(yīng)同時(shí)考慮到緊固件的硬度水平與鍍層類型。鍍層在一定程度上可以起到氫擴(kuò)散障礙的作用，這將阻礙氫向緊固件外的擴(kuò)散。一般來說，氫透過疏松涂層向緊固件外擴(kuò)散比透過致密涂層向外擴(kuò)散要容易。鍍鋅層與較致密的鍍鎘之間即有這種差別。為了使盡可能多的氫擴(kuò)散出材料，有必要采取更長的烘烤時(shí)間。A.W.GrobinJr.認(rèn)為，當(dāng)鍍層的厚度超過2.5以m時(shí)，氫從鋼中擴(kuò)散出去就將比較困難。在這種情況下，鍍鋅層就成了氫擴(kuò)散的障礙?？梢哉J(rèn)為，在這種情況下進(jìn)行烘烤處理實(shí)際上使氫重新分布到了材料中的各個陷阱位置。緊固件的氫脆失效的汽車工業(yè)中早已引起了人們的廣泛關(guān)注。這種失效不期而至，給汽車公司和緊固件供應(yīng)商增