摘要：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。本文分析了高强度钢零件环境氢脆的成因和预防措施。
关键词：高强度钢零件；环境氢脆；预防措施
钢中的氢是影响物理性能和力学性能的有容元素，里与拉应力共同作用时, 在零件加工或使用中存在着氢脆及氢裂的危险性。在室温环境中, 绝大多数金属间化合物存在由空气中的水汽或其他含氢气氛诱发的脆化现象, 这种由环境中氢原子诱发的合金脆性统称为环境氢脆。
1 概述
1.1 碳钢和低合金钢（合金元素总量小于5%的合金钢）。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。
1.2 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。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。
1.3 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。
2 高强度钢零件环境氢脆的成因
2.1 材料强度的变化。氢脆敏感性与材料强度密切相关，氢脆断裂的临界应力极限随着材料强度的升高而急剧下降。这是因为金属晶体中位错、晶界、沉淀相等氢积聚点多，在酸洗、电镀过程中易于吸H，基体内应力较大。一般认为，σb低于1GPa 的合金钢一般不发生氢脆。但当零件较小时，表面处理或除氢不当，即使几百MPa 的材料也会发生氢脆断裂。某发射装置的45 钢拉杆，σb仅650 MPa左右，在服役初期发生断裂，断口微观上具有准解理、二次裂纹、撕裂棱等氢脆特征，其原因在于拉杆的实际强度远高于材料手册中的抗拉强度，且在酸洗、电镀后，未及时除氢。螺栓断裂于第一扣螺纹根部，断口较平整，呈黑灰色，局部可见闪光小刻面特征。断口边缘大部分为沿晶特征。对失效螺栓进行显微硬度检测，换算抗拉强度为1．493 GPa，远高于规定要求( 1．080 ～1．280 GPa) 。螺栓强度偏高使得其对氢脆敏感是导致氢脆断裂的主要原因。
2.2 H含量的变化。在特定的工作应力下，钢制零件内部的H 含量越高，则越容易发生氢脆。材料发生氢脆断裂所需的H 含量往往又受到材料强度高低、成分和组织状态等因素的影响。随材料强度升高，发生氢脆断裂所需的临界H 含量降低。一般钢中的H 含量在( 5～10) × 10 － 6 以上时就会产生氢脆裂纹，但对于超高强度钢，其临界H 含量要低得多。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前的表面处理工艺及按标准执行的除氢工艺已能将零件的H 含量控制在较低的水平，但受其他因素的影响，近些年来，低H含量的零件氢脆断裂的现象时有发生，有的超高强度钢甚至在平均H 含量为0．1× 10 － 6 时也发生氢脆断裂，这不能不引起人们的高度重视。某部件采用6 个相同的 十字头螺栓进行紧固，装配一个多月后发现其中一螺栓发生断裂。螺栓断裂于第一扣螺纹处，裂纹起源于零件表层，呈线性特征，源区和扩展区为以沿晶为主+ 少量韧窝，断面无附着物，存在明显的沿晶二次裂纹。由断口形貌和延迟断裂特点等，说明螺栓为氢脆断裂。
2.3 小尺寸零件更易发生氢脆。近年来，小规格螺栓、弹簧、丝材、铆钉等尺寸较小的零件，氢脆断裂时有发生，这些零件不太引人注意，但发生氢脆隐患的范围很广，究其原因是零件越小，其加工成形时变形量越大，晶粒越细小，所以这些零件的强度往往远高于材料手册给出的强度，造成其对氢脆极为敏感。如一批弹簧在进行最后压缩测力试验时多件发生断裂，同时发现用手即可扳断。弹簧材料为70 钢，簧丝直径仅为0.8 mm。失效弹簧断口周围无塑性变形，源区和扩展区平坦，扩展棱线清晰，呈解理断裂形貌 ; 而弹簧人工打断断口均为斜劈状断口和细小韧窝特征；弹簧在进行电解除油、酸洗和电镀前进行过测力试验未出现失效，其开裂具有延迟性，为氢脆断裂。
3 预防措施
3.1 消除与降低H 的来源( 如酸洗退镀后要先除氢再电镀)。由于冶炼设备和冶炼技术的进步，国内的冶炼工艺( 双真空、电渣重熔等) 能保证原材料的H含量处于较低的水平，由于冶炼带来的H 含量偏高导致的氢脆很少出现，由环境带来的氢污染基本只在石化等领域涉及。目前，正常的涂镀等表面处理工艺也比较成熟，能保证零件的H 含量在较低的范围，但仍存在一些认识不足的问题。如对于重复使用件，要特别避免酸洗后不除氢或不及时除氢，避免进行表面镀涂处理工艺一并除氢的做法。尤其要注意尺寸较小的结构件。在酸洗去除镀层后一定要先及时进行除氢处理，然后电镀，再除氢。之所以要在酸洗去除镀层后增加一道除氢工序，是因为与酸洗除锈和氧化皮不同，酸洗去除镀层需要较长时间，零件会大量吸H，这时若直接电镀，后续的除氢处理则由于无序非晶态涂镀层封闭了酸洗过程吸入的H，很难将H 去除干净。
3.2 材料强度处于标准中下限。大部分发生氢脆断裂的零件材料的强度均处于标准的上限或超出上限，而零件材料强度处于中下限能够显著降低氢脆敏感性。从降低零件氢脆敏感性的角度考虑，不宜将零件强度控制在标准的上限，而应控制在标准的中下限，这可通过适当降低合金钢的C 含量、适当提高回火温度等措施来解决。设计上要充分考虑材料强度对氢脆、应力腐蚀、缺口等敏感性的影响，材料的强度一定要适当，过分追求材料强度还会带来加工性、疲劳性能分散、断裂韧度等的降低、裂纹扩展速率增大等问题，如我国的大多数钢材，材料的拉伸性能高于国外，但疲劳极限普遍偏低5%左右，大多与C 含量偏上限导致强度偏高有关。
3.3 除氢处理的规范要按实际强度制定。国际上对于钢制零件除氢工艺有一个通用标准: 190 ～ 230 ℃加热保温24 h，空冷。国内按《镀覆前消除应力和镀覆后除氢处理规范》进行除氢处理，但有时零件的实际强度远高于材料手册本身给出的强度，若按材料强度选择除氢处理规范显然是不合理的，应按零件的实际强度制定除氢工艺。
氢脆是推广应用过程中必须重点考虑的问题。深入研究化学成分、加工工艺、显微组织等方面与氢脆的关联，并通过相应措施缓解甚至消除氢在材料服役阶段的负面作用，避免出现无预警的脆断现象，将成为先进高强度钢应用开发的主要关注方向。
参考文献：
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论文作者:钱豪,周汉珺,陈华林
论文发表刊物:《基层建设》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/13
标签：强度论文; 零件论文; 材料论文; 酸洗论文; 含量论文; 应力论文; 断口论文; 《基层建设》2017年第8期论文;