浅谈影响几种常见钢氢脆的因素_庞勃

浅谈影响几种常见钢氢脆的因素

庞勃

（吉林化工学院，吉林吉林

１３２０２２）

［摘要］存在于金属中的诸多元素中氢是一种有害元素，极少的氢就会导致金属变脆。氢脆的发现已经有几十年的历史了。不同的金属材料

在不同的环境中产生氢脆的过程不同。本文简要阐述了几种影响常见钢氢脆的因素。［关键词］影响；常见钢；氢脆

氢脆是溶于金属中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过金属的强度极限，在金属内部形成细小的裂纹的现象。氢脆只可防，一但产生，就消除不了。在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程中进入金属内部的微量氢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。这里简要介绍几种常见钢中的氢脆行为：

1碳钢和低合金钢（合金元素总量小于5%的合金钢）

碳钢和低合金钢当抗拉强度超过１０００ＭＰａ是可能出现各种形式的氢脆；当抗拉强度低于６８０ＭＰａ时则很少出现氢脆。钢制压力管内部的氢压达到８０￣１００ＭＰａ时经常出现氢脆。在钢制压力容器中，随着氢压的增加氢脆严重。钢暴露在氢气中，拉伸试验发现塑性降低并早期断裂，同时也出现静载荷下的延滞断裂。裂纹拓展速率随氢压的增大而增高。当温度在室温附近时，氢致开裂最敏感。用稀有气体稀释氢不能防止氢脆。但在氢气中加入少量氧可完全阻止氢脆，因为氧可以优先吸附在金属表面防止氢的吸附及向内部扩散。随着钢的强度增高，氢脆敏感性增加。当应力强度因子高时出现穿晶断裂，应力强度因子低时出现沿晶断裂。合金元素对氢脆敏感性的影响是有争议的。经常出现相互，对抗氢脆有利，Ｓ和矛盾的结果。强碳化物形成元素，如Ｍｏ、Ｖ、ＴｉＰ有害。

焊接接头的焊缝区和热影响区对氢脆比较敏感，这与该区的显微组织特征和高硬度有关。美国腐蚀工程师协会曾试图规定抵抗氢脆材料的洛氏硬度不超过２２，但当钢的硬度低于该值时，发现Ｈ２Ｓ引起氢脆，因此，至今未能制定出防止Ｈ２Ｓ氢脆的强度等级。钢在水和水溶液中的氢脆于抗拉强度有关。当抗拉强度低于６８０ＭＰａ时，具有良好的抗氢脆能力。抗拉强度在６８０ＭＰａ￣１０００ＭＰａ时，钢仍具有抗氢脆能力或只有轻微氢脆敏感性。当高于１０００ＭＰａ时，大多数钢具有氢脆敏感性，并且强度越高氢脆敏感性越大，钢的强度不仅影响裂纹萌生的最小应力或最小应力强度因子，而且影响裂纹扩展速率。

钢在水溶液中的氢脆是由于腐蚀过程中钢表面生成了氢并吸附在表面，而后进入内部所致。裂纹一般沿晶界发展，有时也发现穿晶裂纹。而且裂纹扩展路径与应力强度因子Ｋ１有关，当Ｋ１较高时是穿晶断裂。裂纹扩展速率与Ｋ１的关系曲线分为三段。当Ｋ１较低时，裂纹扩展速率呈指数规律快速增长；在中等Ｋ１时，裂纹扩展速率保持不变；当Ｋ１很高时，扩展速率再次增高，在第Ｉ阶段有时出现裂纹分叉。改变环境介质将影响氢致开裂行为。一般情况下，改变介质对强度较低是光滑试样影响较大。在稀溶液中增大氯化物离子浓度使裂纹扩展速率增高。温度不影响氢致开裂的应力门槛值，但升高温度可增大第Ｉ阶段扩展速率。根据扩展速率与温度的关系计算的激活能与氢在钢中的扩散激活能相近。改变钢的成分和显微组织有时能改变钢的氢致开裂抗力。增加碳和锰的含量使抗力降低，其它合金元素的影响还不清楚。通常淬火回火

态高合金钢的抗力比低合金钢的大。当化学成分相同时，回火马氏体比贝氏体的裂纹扩展速率低。形变淬火和细化奥氏体晶粒有利于低抗氢脆。

一般情况下，当钢的强度低于１４００ＭＰａ时，提高断裂韧性可提高氢致开裂门槛值。防止高强度钢在水溶液中氢脆的唯一有效的方法是，但保护膜中的缺陷又可降低其强度。表面涂层也可以有效防止氢脆，

能导致开裂。在焊接件中，当接头与母材的强度相等时，其氢脆抗力较母材低。如果热影响区的硬度比母材高，也可产生氢致裂痕。

2不锈钢

奥氏体不锈钢对应力腐蚀开裂很敏感，但对氢脆则几乎不敏感。其主要原因是，奥氏体钢具有面心立方结构，氢不能在其中扩散渗透，氢含量极低，不致引起塑性降低。铁素体不锈钢如处于退火态，硬度很低，氢脆抗力较大。但如果经过冷变形或焊接，则对氢脆很敏感。

马氏体和沉淀硬化型不锈钢因强度高而具有氢脆敏感性。裂纹几乎是穿晶的，在马氏体不锈钢中裂纹沿原奥氏体晶界发展。当屈服强度增高时，氢脆敏感性增高。冶金组织是影响氢脆的第二位的因素。在这种钢中介质的影响是很难预测的。几乎任何能放出氢的介质都能在这种钢中引起氢脆。防治的措施有：表面涂层以防止氢进入金属；采用适当的热处理可去除已经进入金属的氢，但往生影响钢的强度。

3马氏体时效钢

马氏体时效钢是以无碳（或微碳）马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。与传统高强度钢不同，它不用碳而靠金属间化合物的弥散析出来强化。马氏体时效钢的氢脆性随着含氢量的增加和屈服强度的增高而增大。预先渗氢试样中的裂纹可能沿原奥氏体晶界发展，也可能是穿晶准解理断裂。当强度和氢含量相同时，马氏体时效钢的氢脆敏感性比淬火回火的低合金高强度钢低，这是由于马氏体时效钢的含碳量很低。在１５０￣２０５℃下保温可去除马氏体时效钢中的氢，而又不改变其显微组织。

作者简介：庞勃，１９８０年生，男，吉林省松原市人，讲师，硕士，主要研究方向为金属材料。

[参考文献］

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［２］赵景晖．关于钢中氢陷阱［Ｊ］．鞍钢技术，１９９６．

［３］张为民．渗碳淬火零件氢脆的产生及防止［Ｊ］．金属热处理，１９９７．［４］南雲道彦．钢的氢脆的新研究方向［Ｊ］．热处理，２０１０．

［５］陈瑞，郑津洋，徐平，开方明，刘鹏飞．金属材料常温高压氢脆研究进展［Ｊ］．太阳能学报，２００８．

2014年）