氫脆的機(jī)理

氫脆的機(jī)理學(xué)術(shù)界還有爭(zhēng)議，但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為以下幾種效應(yīng)是氫脆發(fā)生的主要原因:

在金屬凝固的過(guò)程中，溶入其中的氫沒(méi)能及時(shí)釋放出來(lái)，向金屬中缺陷附近擴(kuò)散，到室溫時(shí)原子氫在缺陷處結(jié)合成分子氫并不斷聚集，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，使金屬發(fā)生裂紋.

在石油工業(yè)的加氫裂解爐里，工作溫度為300-500度，氫氣壓力高達(dá)幾十個(gè)到上百個(gè)大氣壓力，這時(shí)氫可滲入鋼中與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷. 甲烷氣泡可在鋼中夾雜物或晶界等場(chǎng)所成核，長(zhǎng)大，并產(chǎn)生高壓導(dǎo)致鋼材損傷.

在應(yīng)力作用下，固溶在金屬中的氫也可能引起氫脆.金屬中的原子是按一定的規(guī)則周期性地排列起來(lái)的，稱為晶格.氫原子一般處于金屬原子之間的空隙中，晶格中發(fā)生原子錯(cuò)排的局部地方稱為位錯(cuò)，氫原子易于聚集在位錯(cuò)附近.金屬材料受外力作用時(shí)，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布是不均勻的，在材料外形迅速過(guò)渡區(qū)域或在材料內(nèi)部缺陷和微裂紋處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中.在應(yīng)力梯度作用下氫原子在晶格內(nèi)擴(kuò)散或跟隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)向應(yīng)力集中區(qū)域.由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結(jié)合力變?nèi)酰@樣在高氫區(qū)會(huì)萌生出裂紋并擴(kuò)展，導(dǎo)致了脆斷. 另外，由于氫在應(yīng)力集中區(qū)富集促進(jìn)了該區(qū)域塑性變形，從而產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展. 還有，在晶體中存在著很多的微裂紋，氫向裂紋聚集時(shí)有吸附在裂紋表面，使表面能降低，因此裂紋容易擴(kuò)展.

某些金屬與氫有較大的親和力，過(guò)飽和氫與這種金屬原子易結(jié)合生成氫化物，或在外力作用下應(yīng)力集中區(qū)聚集的高濃度的氫與該種金屬原子結(jié)合生成氫化物.氫化物是一種脆性相組織，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導(dǎo)致脆性斷裂.

工業(yè)管道的氫脆現(xiàn)象可發(fā)生在實(shí)施外加電流陰極保護(hù)的過(guò)程之中:現(xiàn)階段為了防止金屬設(shè)備發(fā)生腐蝕，一般大型的工業(yè)管道都采用外加電流的陰極保護(hù)方式，但是這種方式也能引發(fā)雜散電流干擾的高風(fēng)險(xiǎn)，可導(dǎo)致過(guò)保護(hù)，引發(fā)防腐層的破壞及管材氫脆。

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(huì)破壞鍍層，因此熱處理的方法對(duì)于經(jīng)過(guò)電鍍的工件并不適用。

首先，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(kāi)裂或延遲性的脆性破壞。高溫高壓的氫對(duì)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(huì)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(lái)就存在的，例如，煉鋼、焊接過(guò)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?；蛟O(shè)備在電鍍或酸洗時(shí)，鋼表面被吸附的氫原子過(guò)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。它的腐蝕面常可見(jiàn)到鋼的脫碳鐵素體，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(huì)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(guò)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。如電鍍件的去氫都在200~240度的溫度下，加熱2~4小時(shí)可將絕大部分氫去除。

氫在常溫常壓下不會(huì)對(duì)鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當(dāng)溫度超過(guò)300℃和壓力高于30MPa時(shí)，會(huì)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(guò)程中的脫硫塔、變換塔、氨合成塔;煉油過(guò)程中的一些加氫反應(yīng)裝置;石油化工生產(chǎn)過(guò)程中的甲醇合成塔等。

二:氫脆-鋼材中的氫會(huì)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。

(1)、減少金屬中滲氫的數(shù)量，必須盡量減少高強(qiáng)度/高硬度鋼制緊固件的酸洗，因?yàn)樗嵯纯杉觿浯唷Ｔ诔P和氧化皮時(shí)，盡量采用噴砂拋丸的方法，若洛氏硬度等于或大于HRC 32的緊固件進(jìn)行酸洗時(shí)，必須在制定酸洗工藝時(shí)確保零件在酸中浸泡的時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)10分鐘。并應(yīng)盡量降低酸液的濃度，并保證零件在酸中浸泡的時(shí)間不超過(guò)10分鐘;在除油時(shí)，采用清洗劑或溶劑除油等化學(xué)除油方式，滲氫量較少，若采用電化學(xué)除油，先陰極后陽(yáng)極，高強(qiáng)度零件不允許用陰極電解除油;在熱處理時(shí)，嚴(yán)格控制甲醇和丙烷的滴注量;在電鍍時(shí)，堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。

(2)、采用低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度的鍍涂層一般認(rèn)為，在電鍍Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb時(shí)，滲入鋼件的氫容易殘留下來(lái)，而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金屬鍍層具有低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度，滲氫較少。在滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下，可采用不會(huì)造成滲氫的涂層，如機(jī)械鍍鋅或無(wú)鉻鋅鋁涂層，不會(huì)發(fā)生氫脆，耐蝕性高，附著力好，且比電鍍環(huán)保。

(3)鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫以消除氫脆隱患若零件經(jīng)淬火、焊接等工序后內(nèi)部殘留應(yīng)力較大，鍍前應(yīng)進(jìn)行回火處理，回火消除應(yīng)力實(shí)際上可以減少零件內(nèi)的陷阱數(shù)量，從而減輕發(fā)生氫脆的隱患。

⑷、控制鍍層厚度，由于鍍層覆蓋在緊固件表面，鍍層在一定程度上會(huì)起到氫擴(kuò)散屏障的作用，這將阻礙氫向緊固件外部的擴(kuò)散。當(dāng)鍍層厚度超過(guò)2.5μm時(shí)，氫從緊固件中擴(kuò)散出去就非常困難了。因此硬度<32HRC的緊固件，鍍層厚度可以要求在12μm;硬度≥32HRC的高強(qiáng)度螺栓，鍍層厚度應(yīng)控制在8μmmax。這就要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到高強(qiáng)度螺栓的氫脆風(fēng)險(xiǎn)，合理選擇鍍層種類和鍍層厚度.

在任何電鍍?nèi)芤褐?由于水分子的離解,總或多或少地存在一定數(shù)量的氫離子。因此,電鍍過(guò)程中,在陰極析出金屬(主反應(yīng))的同時(shí),伴有氫氣的析出(副反應(yīng))。析氫的影響是多方面的,其中最主要的是氫脆。氫脆是表面處理中最嚴(yán)重的質(zhì)量隱患之一,析氫嚴(yán)重的零件在使用過(guò)程中就可能斷裂,造成嚴(yán)重的事故。表面處理技術(shù)人員必須掌握避免和消除氫脆的技術(shù),以使氫脆的影響降低到最低限度。

在材料的冶煉過(guò)程和零件的制造與裝配過(guò)程(如電鍍、焊接)中進(jìn)入鋼材內(nèi)部 的微量氫(10-6量級(jí))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(kāi)裂。在尚未出現(xiàn)開(kāi)裂的情況下可以通過(guò)脫氫處理(例如加熱到200℃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。

范圍:本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢查緊固件氫脆的測(cè)試方法:適用于螺栓，螺柱，螺釘，螺母。墊圈定義:

1氫脆敏感性:由于鋼緊固件中存在著游離的 氫，在承受相應(yīng)等級(jí)的拉應(yīng)力并或處于不利于服役條下，鋼緊固件表現(xiàn)為一種脆性的破壞特性。

2氫脆傾向:如果緊固件由對(duì)氫脆敏感的鋼制成，并吸收了氫，其破壞傾向就會(huì)增大。 3生產(chǎn)批:同一標(biāo)記的，用同一爐線材制造的，在整個(gè)連續(xù)周期內(nèi)，采用相同或類似工藝并經(jīng)過(guò)相同的熱處理和涂層覆蓋工藝的緊固件數(shù)量。試樣:實(shí)驗(yàn)用的螺栓螺母等應(yīng)來(lái)自同一批生產(chǎn)，其工藝應(yīng)一致。試樣以目視觀察，應(yīng)看不見(jiàn)裂縫. 使用設(shè)備:實(shí)驗(yàn)板，扭力扳手。預(yù)載荷:平行支持面法。測(cè)試程序:一、螺栓、螺釘、螺母或螺柱 1在實(shí)驗(yàn)板上安裝5個(gè)螺栓或螺釘，使其緊貼實(shí)驗(yàn)板表面.. 2用適當(dāng)?shù)呐ちΠ馐謹(jǐn)Q緊組合件，直至達(dá)到各自的屈服點(diǎn)，擰緊扭矩的加載對(duì)象應(yīng)一致，最大擰緊速度20R/MIN. 3記錄 5個(gè)實(shí)驗(yàn)組合的屈服點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的扭矩值。并算出平均值和最大最小值之間的差異，如差值小于平均值的15%，則此平均值作為實(shí)驗(yàn)樣品的擰緊扭踞值。如果差值操過(guò)了15%，則應(yīng)將試樣分別擰緊直各自的屈服點(diǎn)。4在實(shí)驗(yàn)板上擰緊規(guī)定的試樣,達(dá)到實(shí)驗(yàn)擰緊扭矩，或是符合1-3條規(guī)定的屈服點(diǎn)。注:A實(shí)驗(yàn)時(shí)，承受應(yīng)力之未旋合螺紋長(zhǎng)度≥1D，且伸出螺母之完整螺紋長(zhǎng)度應(yīng)<5P B 螺母的實(shí)驗(yàn)與螺栓相同。二:彈簧墊圈 1將規(guī)定數(shù)量的試樣，用增墊圈相互隔開(kāi)，裝到螺紋公稱直徑與其公稱直徑相同的實(shí)驗(yàn)螺栓 (錐型彈簧性墊圈應(yīng)成對(duì)隔開(kāi)) 2擰緊實(shí)驗(yàn)組合件(螺帽)直至壓平彈簧性墊圈。三:1實(shí)驗(yàn)最少應(yīng)持續(xù)48小時(shí)，實(shí)驗(yàn)件應(yīng)每隔24小時(shí)重新擰緊一次，并施加到初始實(shí)驗(yàn)擰緊扭矩功載荷。 2在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，應(yīng)又一次擰緊實(shí)驗(yàn)件，擰緊前應(yīng)擰退1/2圈，以確認(rèn)短裂是否發(fā)生在螺紋旋合部件實(shí)驗(yàn)評(píng)估:實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在不使用放大鏡的條件下檢查試樣。若無(wú)目測(cè)可見(jiàn)之裂縫或短裂，則作為合格。注意事項(xiàng):

1、實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)特別注意有氫脆條件的緊固件試樣可能突然斷裂，從而造成傷害，因此應(yīng)適當(dāng)使用設(shè)備，以免傷害發(fā)生。

2、螺栓、螺釘、螺柱或螺母試樣在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行潤(rùn)滑，以提高實(shí)驗(yàn)的可靠性。

3、本實(shí)驗(yàn)的靈敏度應(yīng)取決于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始時(shí)間 ，所以最好在制造結(jié)束后24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行，延長(zhǎng)時(shí)間將會(huì)減少查出氫脆的可能性。

4、實(shí)驗(yàn)中試樣出現(xiàn)裂縫，掉頭或是斷裂，并不一定是表面處理工藝引起的氫脆所致，可以用沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處理的緊固件進(jìn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以確定產(chǎn)生氫脆的制程。 硅油檢測(cè)法:用200#硅油加熱到200℃±10℃恒溫，慢慢將試樣置入有硅油的容器中，5分鐘后檢查，若無(wú)連續(xù)氣泡產(chǎn)生，則視合格。