氢脆的机理

氢脆的机理学术界还有争议，但大多数学者认为以下几种效应是氢脆发生的主要原因:

在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹.

在石油工业的加氢裂解炉里，工作温度为300-500度，氢气压力高达几十个到上百个大气压力，这时氢可渗入钢中与碳发生化学反应生成甲烷. 甲烷气泡可在钢中夹杂物或晶界等场所成核，长大，并产生高压导致钢材损伤.

在应力作用下，固溶在金属中的氢也可能引起氢脆.金属中的原子是按一定的规则周期性地排列起来的，称为晶格.氢原子一般处于金属原子之间的空隙中，晶格中发生原子错排的局部地方称为位错，氢原子易于聚集在位错附近.金属材料受外力作用时，材料内部的应力分布是不均匀的，在材料外形迅速过渡区域或在材料内部缺陷和微裂纹处会发生应力集中.在应力梯度作用下氢原子在晶格内扩散或跟随位错运动向应力集中区域.由于氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，这样在高氢区会萌生出裂纹并扩展，导致了脆断. 另外，由于氢在应力集中区富集促进了该区域塑性变形，从而产生裂纹并扩展. 还有，在晶体中存在着很多的微裂纹，氢向裂纹聚集时有吸附在裂纹表面，使表面能降低，因此裂纹容易扩展.

某些金属与氢有较大的亲和力，过饱和氢与这种金属原子易结合生成氢化物，或在外力作用下应力集中区聚集的高浓度的氢与该种金属原子结合生成氢化物.氢化物是一种脆性相组织，在外力作用下往往成为断裂源，从而导致脆性断裂.

工业管道的氢脆现象可发生在实施外加电流阴极保护的过程之中:现阶段为了防止金属设备发生腐蚀，一般大型的工业管道都采用外加电流的阴极保护方式，但是这种方式也能引发杂散电流干扰的高风险，可导致过保护，引发防腐层的破坏及管材氢脆。

热处理的方法是将工件加热至某一温度，保温一段时间，缓冷，使氢随溶解度逐渐变小，逐渐析出。但加热会破坏镀层，因此热处理的方法对于经过电镀的工件并不适用。

首先，尽量缩短酸洗时间;其次加缓蚀剂，减少产氢量。

压力容器的氢脆(或称氢损伤)是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折;氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物还原。造成压力容器氢脆破坏的氢，可以是设备中原来就存在的，例如，炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被还原而生成氢，并溶解在液体金属中。或设备在电镀或酸洗时，钢表面被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢中;也可以是使用后由介质中吸收进入的，例如在石油、化工容器中，就有许多介质中含氢或含混有硫化氢的杂质。钢发生氢脆的特征主要表现在微观组织上。它的腐蚀面常可见到钢的脱碳铁素体，氢脆层有沿着晶界扩展的腐蚀裂纹。腐蚀特别严重的容器，宏观上可以发现氢脆所产生的鼓包。介质中含氢(或硫化氢)的容器是否会发生氢脆，主要决定于操作温度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。温度越高、氢分压越高，碳钢的氢脆层就越深，发生氢脆破裂的时间也越短，其中温度尤其是重要因素。钢的含碳量越高，在相同的温度和压力条件下，氢脆的倾向越严重。钢中添有铬、钛、钒等元素，可以阻止氢脆的产生。

出现氢脆的工件通过除氢处理(如加热等)也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。如电镀件的去氢都在200~240度的温度下，加热2~4小时可将绝大部分氢去除。

氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300℃和压力高于30MPa时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高温条件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔;炼油过程中的一些加氢反应装置;石油化工生产过程中的甲醇合成塔等。

二:氢脆-钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。主要发生在碳钢和低合金钢中。

(1)、减少金属中渗氢的数量，必须尽量减少高强度/高硬度钢制紧固件的酸洗，因为酸洗可加剧氢脆。在除锈和氧化皮时，尽量采用喷砂抛丸的方法，若洛氏硬度等于或大于HRC 32的紧固件进行酸洗时，必须在制定酸洗工艺时确保零件在酸中浸泡的时间最长不超过10分钟。并应尽量降低酸液的浓度，并保证零件在酸中浸泡的时间不超过10分钟;在除油时，采用清洗剂或溶剂除油等化学除油方式，渗氢量较少，若采用电化学除油，先阴极后阳极，高强度零件不允许用阴极电解除油;在热处理时，严格控制甲醇和丙烷的滴注量;在电镀时，碱性镀液或高电流效率的镀液渗氢量较少。

(2)、采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层一般认为，在电镀Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb时，渗入钢件的氢容易残留下来，而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金属镀层具有低氢扩散性和低氢溶解度，渗氢较少。在满足产品技术条件要求的情况下，可采用不会造成渗氢的涂层，如机械镀锌或无铬锌铝涂层，不会发生氢脆，耐蚀性高，附着力好，且比电镀环保。

(3)镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患若零件经淬火、焊接等工序后内部残留应力较大，镀前应进行回火处理，回火消除应力实际上可以减少零件内的陷阱数量，从而减轻发生氢脆的隐患。

⑷、控制镀层厚度，由于镀层覆盖在紧固件表面，镀层在一定程度上会起到氢扩散屏障的作用，这将阻碍氢向紧固件外部的扩散。当镀层厚度超过2.5μm时，氢从紧固件中扩散出去就非常困难了。因此硬度<32HRC的紧固件，镀层厚度可以要求在12μm;硬度≥32HRC的高强度螺栓，镀层厚度应控制在8μmmax。这就要求在产品设计时，必须考虑到高强度螺栓的氢脆风险，合理选择镀层种类和镀层厚度.

在任何电镀溶液中,由于水分子的离解,总或多或少地存在一定数量的氢离子。因此,电镀过程中,在阴极析出金属(主反应)的同时,伴有氢气的析出(副反应)。析氢的影响是多方面的,其中最主要的是氢脆。氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一,析氢严重的零件在使用过程中就可能断裂,造成严重的事故。表面处理技术人员必须掌握避免和消除氢脆的技术,以使氢脆的影响降低到最低限度。

在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部 的微量氢(10-6量级)在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到200℃以上数小时，可使内氢减少)恢复钢材的性能。因此内氢脆是可逆的。

范围:本标准规定检查紧固件氢脆的测试方法:适用于螺栓，螺柱，螺钉，螺母。垫圈定义:

1氢脆敏感性:由于钢紧固件中存在着游离的 氢，在承受相应等级的拉应力并或处于不利于服役条下，钢紧固件表现为一种脆性的破坏特性。

2氢脆倾向:如果紧固件由对氢脆敏感的钢制成，并吸收了氢，其破坏倾向就会增大。 3生产批:同一标记的，用同一炉线材制造的，在整个连续周期内，采用相同或类似工艺并经过相同的热处理和涂层覆盖工艺的紧固件数量。试样:实验用的螺栓螺母等应来自同一批生产，其工艺应一致。试样以目视观察，应看不见裂缝. 使用设备:实验板，扭力扳手。预载荷:平行支持面法。测试程序:一、螺栓、螺钉、螺母或螺柱 1在实验板上安装5个螺栓或螺钉，使其紧贴实验板表面.. 2用适当的扭力扳手拧紧组合件，直至达到各自的屈服点，拧紧扭矩的加载对象应一致，最大拧紧速度20R/MIN. 3记录 5个实验组合的屈服点分别对应的扭矩值。并算出平均值和最大最小值之间的差异，如差值小于平均值的15%，则此平均值作为实验样品的拧紧扭踞值。如果差值操过了15%，则应将试样分别拧紧直各自的屈服点。4在实验板上拧紧规定的试样,达到实验拧紧扭矩，或是符合1-3条规定的屈服点。注:A实验时，承受应力之未旋合螺纹长度≥1D，且伸出螺母之完整螺纹长度应<5P B 螺母的实验与螺栓相同。二:弹簧垫圈 1将规定数量的试样，用增垫圈相互隔开，装到螺纹公称直径与其公称直径相同的实验螺栓 (锥型弹簧性垫圈应成对隔开) 2拧紧实验组合件(螺帽)直至压平弹簧性垫圈。三:1实验最少应持续48小时，实验件应每隔24小时重新拧紧一次，并施加到初始实验拧紧扭矩功载荷。 2在实验结束前，应又一次拧紧实验件，拧紧前应拧退1/2圈，以确认短裂是否发生在螺纹旋合部件实验评估:实验结束后，在不使用放大镜的条件下检查试样。若无目测可见之裂缝或短裂，则作为合格。注意事项:

1、实验实施过程中，应特别注意有氢脆条件的紧固件试样可能突然断裂，从而造成伤害，因此应适当使用设备，以免伤害发生。

2、螺栓、螺钉、螺柱或螺母试样在实验前应进行润滑，以提高实验的可靠性。

3、本实验的灵敏度应取决于实验的开始时间 ，所以最好在制造结束后24小时内进行，延长时间将会减少查出氢脆的可能性。

4、实验中试样出现裂缝，掉头或是断裂，并不一定是表面处理工艺引起的氢脆所致，可以用没有经过表面处理的紧固件进对比实验，以确定产生氢脆的制程。 硅油检测法:用200#硅油加热到200℃±10℃恒温，慢慢将试样置入有硅油的容器中，5分钟后检查，若无连续气泡产生，则视合格。