金屬中氫的形成與演化

金屬中氫的形成與演化

1氫脆材料的特性氫是金屬中的一種有害因素。氫脆是在應(yīng)力和過量氫的共同作用下使金屬材料的塑型和韌性降低而致脆的一種現(xiàn)象。應(yīng)力可能是外加應(yīng)力也可能是殘余應(yīng)力;金屬中過量的氫可能本來就存在于金屬中,也可能從金屬表面吸附而進入金屬中。氫脆一般發(fā)生在高強度鋼和其它高強度合金中。氫脆以不同的形式出現(xiàn)在許多金屬材料中。從而使一些材料的應(yīng)用受到限制。由于許多環(huán)境介質(zhì)都可能成為金屬中氫的來源。如水、潮濕空氣、碳氫化合物、酸、硫化物等。因此,在許多環(huán)境中工作的零件都可能出現(xiàn)氫脆。氫脆降低金屬材料的塑型,其中斷面收縮率的下降比延伸率的下降更明顯;降低缺口試樣的抗拉強度;還可能出現(xiàn)靜載荷下的延滯斷裂;但屈服強度基本不受影響。在光滑試樣中,氫可擴散進入金屬,在亞表層三向應(yīng)力較高的部位誘發(fā)裂紋,裂紋擴展穿過氫濃度高的區(qū)域。在裂紋試樣中,氫致開裂從即存裂紋頂端開始。在淬火回火鋼中,裂紋往往沿原奧氏體晶界發(fā)展。在缺口敏感性高的金屬中,很小的氫致裂紋就可導(dǎo)致破壞,這種裂紋一般很難發(fā)現(xiàn)。在某些脆致?lián)p傷中,開裂是由金屬內(nèi)部氫分子產(chǎn)生的高壓引起的,氫分子是由氫原子在金屬內(nèi)部缺陷或夾雜物處轉(zhuǎn)變而成。體心立方點陣和密排六方點陣的金屬對氫脆比較敏感;而面心立方點陣的金屬一般對氫脆不敏感。2鋼的氫蝕和延滯斷裂試驗結(jié)果1)白點,白點又稱發(fā)紋,是鋼內(nèi)部過量氫造成的。在冶煉過程中鋼中融入了氫。當溫度降低時氫的溶解度減小,從固溶體中析出,但未能擴散逸出。這些析出的氫在缺陷處聚集成氫分子。氣體氫形成的壓力逐漸增高將鋼撕裂,形成微小裂紋。如果將這種鋼材沖擊斷裂,則在斷口上可看到橢圓形銀白色斑點,這就是氫形成的裂紋。由于氫壓形成的裂紋斷口與沖擊時形成的斷口形態(tài)不同,所以可顯現(xiàn)其外形。如果將這種鋼沿縱向剖開,腐蝕后可見宏觀裂紋,就是發(fā)紋。白點在含Ni和Cr的結(jié)構(gòu)鋼中最為嚴重。NiCr鋼大型鍛件曾因此而造成重大事故。可從通過在冶煉過程中精煉除氣、鍛后緩冷或去氫退火使氫擴散慢慢逸出而消除白點。也可在鋼中加入微量稀土元素以減輕或消除白點。2)氫蝕,鋼中含有碳,如果氫于碳結(jié)合形成CH4氣體,也可在鋼內(nèi)部形成高壓,使鋼的塑性降低,這種現(xiàn)象稱為氫蝕。石油化工工業(yè)中的加氫裂化裝置有可能出現(xiàn)氫蝕。CH4氣泡的形成必須依附于夾雜物或第二相質(zhì)點。這些質(zhì)點往往存在于晶界,如果Al脫氧的鋼中,晶界上分布著很多細小的夾雜物。因此,氫蝕脆化裂紋往往沿晶界發(fā)展。在斷口上可以看到晶粒狀外形,并且晶界變寬。為了聚集足夠的CH4,氫蝕的出現(xiàn)有一個孕育期,并且溫度越高,孕育期越短。鋼發(fā)生氫蝕的溫度為300~500℃。當?shù)陀?00℃時,不出現(xiàn)氫蝕。3)氫化物致脆。一些金屬與氫的親和力較強,可形成金屬氫化物。如純Ti或α—TI可與氫結(jié)合形成氫化鈦。此外,在釩,鈮,鋯及其合金中也可形成金屬氫化物。這些金屬氫化物與基體金屬之間界面結(jié)合較弱,二者之間的彈塑性性質(zhì)差別較大,在外力作用下界面易開裂,導(dǎo)致金屬變脆。氫化物的產(chǎn)生方式有兩種。一種是金屬凝固時氫的溶解度降低,自金屬中以金屬氫化物形式析出。這種氫化物稱為自發(fā)形成氫化物。另一種是當固態(tài)金屬中含氫時,在外加拉應(yīng)力作用下,氫向裂紋,微孔或缺陷的應(yīng)力集中處聚集,當超過臨界濃度后,以金屬氫化物的形式析出。這種氫化物稱為應(yīng)力感生氫化物。氫化物的析出提高合金的強度但降低其塑性。4)氫致延滯斷裂。上述幾種氫脆均表現(xiàn)為在通常拉伸試驗中延伸率或斷面收縮降低,或沖擊韌性降低。氫致延滯斷裂是金屬在含氫環(huán)境中,受應(yīng)力作用緩慢發(fā)生的斷裂。所受應(yīng)力較低,往往低于材料的屈服強度,因而是脆斷。工程中出現(xiàn)的氫脆多半是指這種氫致延滯斷裂,表現(xiàn)出以下特點:延滯斷裂的出現(xiàn)與試驗工作或工作溫度有關(guān)。溫度過高或過低均不發(fā)生。高強度鋼的延滯斷裂多發(fā)生在-100~150°C之間,而以室溫下最敏感;隨著應(yīng)變速率的提高,氫致延滯斷裂敏感性降低。當應(yīng)變速率高于某一數(shù)值時,不再出現(xiàn)這類氫脆;這類氫脆表現(xiàn)為延伸率降低,但當含氫量超過一定值后,延伸率不再降低,而斷面收縮率則繼續(xù)下降。而且強度越高,延伸率下降越劇烈;氫致延滯斷裂的裂紋擴展路徑與應(yīng)力大小有關(guān);氫致延滯斷裂還表現(xiàn)為可逆性。當加載持續(xù)一段時間,如果裂紋尚未形成,卸去載荷并停留一段時間后,拉伸試驗時不表現(xiàn)出脆性。從上述特征可知,氫致延滯斷裂與氫的進入,擴散遷移和聚焦有關(guān),這些過程均需要時間,因此表現(xiàn)為延滯斷裂。在α—Fe中位錯是氫的擴散通道,溶于α—Fe中的氫引起點陣彈性畸變,形成壓應(yīng)力場,于是氫原子往往聚集在刃型位錯的拉應(yīng)力場一側(cè),形成氫原子氣團。在位錯密度較高的區(qū)域,氫原子濃度較高。此外,應(yīng)力作用促進了氫的擴散,使其向拉應(yīng)力區(qū)聚集。裂紋頂端形成了數(shù)值很高的三向的應(yīng)力區(qū),并且,在裂紋頂端的彈性區(qū)與塑性區(qū)的邊界處塑性變形量較大,位錯密度較高,因而容易聚集較多的氫原子,當氫的濃度達到臨界值后,造成該區(qū)域脆化,促進裂紋擴展。此外,鋼中的夾雜物,晶界等缺陷處都是應(yīng)力集中區(qū),氫原子的聚集可誘發(fā)裂紋,因此,氫脆斷裂多沿晶斷裂。由上述過程可知只有當應(yīng)變速率與溫度相適應(yīng)時,才能產(chǎn)生氫致延滯斷裂,溫度控制著氫的擴散速度,溫度越高氫的擴散越快,應(yīng)變速率控制著金屬中塑性變形量和裂紋形成的早晚。只有二者相適應(yīng)時,才能在缺陷處或裂紋頂端聚集大量氫,從而使金屬變脆。這種氫脆的可逆性是由于施加應(yīng)力后,在缺陷附近的塑性區(qū)聚集了一定數(shù)量的氫,如果未發(fā)展到致脆的臨界氫濃度,卸去載荷后放置一段時間,氫又向四周擴散,缺陷區(qū)的氫濃度降低。因而在隨后的拉伸試驗中不表現(xiàn)出脆性。氫致延滯特性的另一個特點是,裂紋的擴展不是