氢脆

氢脆 (HE)，也称为氢辅助开裂或氢致开裂 (HIC)，是由于吸收氢而导致的金属延展性降低。 氢原子很小，可以渗透固体金属。 一旦被吸收，氢就会降低金属裂纹产生和传播所需的应力，从而导致脆化。 氢脆最明显地出现在钢以及铁、镍、钛、钴及其合金中。 铜、铝和不锈钢不易发生氢脆。

自 19 世纪以来，关于氢脆性质的基本事实就已为人所知。钢中的氢脆在室温附近达到xxx值，大多数金属在 150 °C 以上的温度下对氢脆相对免疫。 氢脆需要原子（可扩散）氢和机械应力的存在来诱导裂纹增长，尽管可能施加或残留应力。 氪在较低的应变率下增加。 一般来说，高强度材料更容易发生氢脆。

金属可能会接触到两种来源的氢气：气态氢气和金属表面化学产生的氢气。 气态氢是分子氢，虽然会引起热氢腐蚀，但不会引起脆化。 正是来自化学侵蚀的原子氢导致脆化，因为原子氢在室温下迅速溶解到金属中。 气态氢存在于压力容器和管道中。 氢的电化学来源包括酸（在酸洗、蚀刻或清洁过程中可能遇到）、腐蚀（通常是由于水腐蚀或阴极保护）和电镀。 在制造过程中，由于焊接过程中存在水分或金属处于熔化状态，氢气可能会被引入金属中。 在实践中最常见的失败原因是电镀控制不当或焊条受潮。

氢脆作为一个术语可以用来专门指代钢和类似金属在相对较低的氢浓度下发生的脆化，或者它可以用来涵盖氢对金属的所有脆化效应。 这些更广泛的脆化效应包括氢化物形成（发生在钛和钒中但不发生在钢中）和氢致起泡（仅在高氢浓度下发生并且不需要存在应力）。 然而，氢脆几乎总是与高温氢腐蚀 (HTHA) 不同，后者在 400 °C 以上的温度下发生在钢中，并涉及甲烷气穴的形成。

脾是一个复杂的过程，涉及许多不同的微观机制，并非所有这些都需要存在。 这些机制包括脆性氢化物的形成、可导致高压气泡的空隙的产生、内表面增强的去凝聚力以及有助于裂纹扩展的裂纹尖端的局部塑性。 一旦扩散氢溶解到金属中，就脆性的原因提出并研究了多种机制。 近年来，人们普遍认为 HE 是一个复杂的、材料和环境依赖的过程，因此没有任何一种机制可以排他性地应用。

• 内部压力：在高氢浓度下，吸收的氢物质在空隙中重新组合形成氢分子 (H2)，从而从金属内部产生压力。 这种压力可以增加到形成裂纹的水平，通常称为氢致开裂 (HIC)，以及在试样表面形成气泡，称为氢致起泡。 这些影响会降低延展性和抗拉强度。
• 氢增强局部塑性 (HELP)：氢会增加裂纹尖端的成核和位错移动。 HELP 通过裂纹尖端的局部延性破坏导致裂纹扩展，周围材料发生的变形较小，从而使断裂呈现脆性。
• 氢减少位错发射：分子动力学模拟揭示了由溶解的氢抑制裂纹尖端的位错发射引起的韧性到脆性转变。 这可以防止裂纹尖端变圆，因此尖锐的裂纹会导致脆性解理失效。
• 氢增强解聚 (HEDE)：间隙氢降低了金属原子断裂所需的应力。 HEDE 仅在局部氢浓度较高时才会发生，例如由于裂纹尖端、应力集中点或边缘位错的张力场中氢溶解度增加。