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金屬氫脆是怎么回事？ 由氫原子引起的金屬脆化問題常有所聞，屢見不鮮。氫脆是一個十分嚴(yán)重的問題, 它會使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并導(dǎo)致機(jī)械性能急劇下降。盡管首次相關(guān)報(bào)道源于百余年前（1875年），又歷經(jīng)了幾十年的深入研究，但氫脆仍然存在著許多不確定性，尤其是機(jī)械緊固件領(lǐng)域應(yīng)提高風(fēng)險(xiǎn)意識。
難以檢測：氫脆導(dǎo)致的緊固件失效具有延遲性。斷裂不會在緊固件安裝之后立即發(fā)生，而是在數(shù)小時，數(shù)天甚至數(shù)周后發(fā)生， 因?yàn)檫@種失效性，所以要在過程監(jiān)控或者持續(xù)的質(zhì)量檢查中檢測出氫脆幾乎是不可能的。
危害嚴(yán)重：經(jīng)常會出現(xiàn)產(chǎn)品安裝后或裝運(yùn)后發(fā)生氫脆的事件，這就使眾多公司不得不支付巨額資金召回產(chǎn)品，也損害了品牌形象。氫脆問題隨時可能發(fā)生，因此被稱之為無形殺手！
一氫脆是什么？

氫脆是指由于過量的氫原子進(jìn)入金屬基體后 ,在應(yīng)力作用下 （ 很可能是在材料的屈服強(qiáng)度以下 , 甚至是在正常的設(shè)計(jì)強(qiáng)度內(nèi) ） , 引起金屬韌性或承載能力的降低 , 從而發(fā)生斷裂（ 通常是亞微觀的斷裂 ） 或者突然脆性失效。

過量的氫可能是該零件使用前就存在， 也可能是使用中從含氫介質(zhì)環(huán)境中滲入的，如：熔煉、酸洗、電鍍、熱處理、焊接等工藝過程， 前者稱為內(nèi)部氫脆（Internal Hydrogen Embrittlement, IHE），后者稱為環(huán)境氫脆（External Hydrogen Embrittlement, EHE）。

環(huán)境氫脆與內(nèi)部氫脆的一個顯著不同點(diǎn)就是氫的來源不同。內(nèi)部氫脆只需要把晶格內(nèi)的氫原子通過擴(kuò)散輸送到裂紋前端， 而環(huán)境氫脆則需把環(huán)境介質(zhì)中的氫通過物理吸附、化學(xué)吸附、氫分子的分解、氫原子的溶解以及氫在晶格中的擴(kuò)散等復(fù)雜過程， 才能達(dá)到裂紋前端， 而使金屬脆化， 這樣將在很大程度上影響氫脆的機(jī)構(gòu)及裂紋的擴(kuò)展速度。

二氫脆機(jī)理

國內(nèi)外對材料的氫脆現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為金屬的氫脆可歸納為以下5種機(jī)制：

1.表面吸附能理論

Petch和Stables等人提出的表面吸附理論指出：當(dāng)固體材料吸附某些表面活性物質(zhì)后， 由于降低表面能而導(dǎo)致材料的塑性降低。他們把氫也看作表面活性物質(zhì)， 降低裂紋的表面能， 因而使金屬材料脆化，如圖 1所示。Barnett和Troiano在解釋β型欽合金的氫脆時也提出了相同的觀點(diǎn)。

圖 1 a）H在裂尖前富集，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展；

b）H吸附在微裂紋表面，

2.位錯交互作用

這一理論首先由T.T.Boniszcwshi 提出，用來解釋鎳的可逆性氫脆， 其要點(diǎn)如下：當(dāng)溫度低于臨界溫度T0, 含氫合金在形變過程中可能形成柯垂耳氣團(tuán)， 如形變速度較小， 而溫度又不太低， 則氫原子的運(yùn)動速度與位錯運(yùn)動速度是相適應(yīng)的， 也就是說柯垂耳氣團(tuán)伴隨位錯運(yùn)動， 而又落后一定距離， 它必然對位錯起“ 釘扎” 作用， 使它不能自由運(yùn)動， 這就產(chǎn)生局部加工硬化。塑性變形所以能實(shí)現(xiàn)， 主要是由于在外力的作用下不斷產(chǎn)生新的位錯， 這些新的位錯同樣被氫原子長滿而形成新的氫氣團(tuán)。在外力的作用下移動著的位錯及氫氣團(tuán)當(dāng)運(yùn)動至晶界或其它障礙物時， 即產(chǎn)生位錯的堆積， 同時必然造成氫在晶界附近的富集。如應(yīng)力足夠大， 則在位錯堆積的端部形成較大的應(yīng)力集中， 從而形成裂紋， 富集的氫原子不僅使裂紋容易形成， 而且使裂紋容易擴(kuò)展， 最后造成脆性斷裂。

3.氫化物氫脆

氫化物氫脆認(rèn)為是由于合金與環(huán)境中的氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 使合金變成粉末狀氫化物而失去原有的強(qiáng)度、剛度等機(jī)械性能。如在室溫時，氫在α鈦及鈮合金中溶解度較小， 鈦與氫有較大的化學(xué)親和力， 因此α鈦與氫極易生成氫化鈦脆性相，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導(dǎo)致脆性斷裂。

4.高壓氫氣理論

認(rèn)為氫蝕的脆化機(jī)構(gòu)是由于高溫高壓下的氫與鋼中的碳作用而生成甲烷氣泡所致。甲烷氣泡的成核一般在夾雜物上。氫蝕潛伏期的結(jié)束也即變脆的開始必須使甲烷氣泡達(dá)到相當(dāng)高的密度才能產(chǎn)生， 而且這些氣泡必須分布在晶界上才能使鋼材脆化，如圖 2所示。

圖 2 兩平板試件發(fā)生氫蝕現(xiàn)象：a）b）俯視圖；

c）d）橫截面圖

5.陰極吸氫理論

Latanision 等認(rèn)為由于硫、磷、砷、銻、錫、鉍等雜質(zhì)元素會阻礙氫原子重新組合形成氫氣，如圖 3所示。從而，氫原子能沿著銻、錫沉積路徑自由進(jìn)入金屬基體，使得晶界變脆。

圖 3 由于銻、錫導(dǎo)致的沿晶陰極吸氫

三氫脆的檢測及預(yù)防

氫脆主要有以下兩種檢測方法：預(yù)載荷試驗(yàn)平行支承面法和硅油檢測法。

1.預(yù)載荷試驗(yàn)平面支承面法

預(yù)載荷試驗(yàn)應(yīng)在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具上進(jìn)行。緊固件承受的應(yīng)力應(yīng)在其屈服點(diǎn)以內(nèi) ,或者處在破壞扭矩的范圍內(nèi)。該應(yīng)力或扭矩應(yīng)至少保持 48h以上。每隔 24h應(yīng)將緊固件再擰緊到初始應(yīng)力或扭矩 , 同時檢查緊固件是否因氫脆已發(fā)生破壞。該試驗(yàn)主要用于緊固件 , 其它零件亦可參考使用 , 具體方法見 GB/T 3098.17-2000 《緊固件機(jī)械性能檢查氫脆用預(yù)載荷試驗(yàn)平行支承面法》。

2.硅油檢測法

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 , 若無連續(xù)氣泡產(chǎn)生 , 則視為合格。亦有資料建議采取石蠟 （180 ℃±10 ℃ ）或凡士林 （120 ℃±10 ℃ ）替代硅油進(jìn)行檢查。

生產(chǎn)中為防止氫脆的發(fā)生可控制氫的含量并減小或消除拉應(yīng)力。對于內(nèi)氫在冶煉時采用真空處理或真空冶煉， 焊接時采用低氫焊條， 酸洗和電鍍時選用緩蝕劑以降低氫含量， 對合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件的冷卻要緩慢， 防止氫致開裂的“白點(diǎn)” , 合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時采用焊前預(yù)熱、焊后烘烤以利于排氫。對于外氫則盡量避開包含有氫氣的氣體、能分解而生成氫原子或分子的水溶液和碳?xì)浠衔锏?。?yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工方面考慮， 減少拉應(yīng)力加上消除應(yīng)力的熱處理或采用噴丸處理使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力， 均可有效地降低或抑制氫脆的發(fā)生。