氢脆

氢脆钢中氢所引起的脆性,又称氢致开裂或氢损伤。钢中的氢会导致钢的力学性能下降,如钢中白点、氢腐蚀、环境氢与应力交互作用形成的应力腐蚀等。钢中氢的来源有:(1)在冶炼、酸洗、焊接或电镀等工艺过程中钢所吸收的氢。(2)使用过程中由环境中吸收的氢。含氢介质有H2、H2s等气体,或在水溶液中腐蚀时阴极过程所释放的氢。研究氢脆可用拉伸试验,将预先充氢的试样用断面收缩率的变

氢脆钢中氢所引起的脆性,又称氢致开裂或氢损伤。钢中的氢会导致钢的力学性能下降,如钢中白点、氢腐蚀、环境氢与应力交互作用形成的应力腐蚀等。钢中氢的来源有:(1)在冶炼、酸洗、焊接或电镀等工艺过程中钢所吸收的氢。(2)使用过程中由环境中吸收的氢。含氢介质有H2、H2s等气体,或在水溶液中腐蚀时阴极过程所释放的氢。

氢脆

研究氢脆可用拉伸试验,将预先充氢的试样用断面收缩率的变化来确定其脆化系数I:

I=(Ψ0-ΨH)/Ψ0*100%

式中Ψ0和ΨH分别为未充氢和充氢试样的断面收缩率。I值越大,钢的氢脆敏感性也越大。现在也广泛用断裂力学来研究氢脆,采用预制裂纹的试样,在致氢脆环境中或预先充氢加载,测定断裂时间(Tf)和断裂应力(óf)随着应力场强度因子(Ki)的降低而增加,当Ki下降趋于一个稳定值Kiscc称为应力腐蚀(氢脆)临界。应力场强度因子。图3为断裂时间(Tf)与应力场强度因子(Ki)的关系。由断裂力学可知,它与ó1和临界裂纹深度ac之间的关系为

KIscc=α(πac)1/2óf

式中α为形状因子,可由有关断裂力学的手册中查到。

影响钢氢脆的因素是一定浓度的氢。一定的拉伸应力和敏感的显微组织。马氏体组织伴随有较大的相变应力,这种组织对氢脆特别敏感,其次为贝氏体、屈氏体。一般索氏体,铁素体+珠光体,其氢脆敏感性较小。

白点钢中氢引起的一种内部裂纹,在断口上面呈现圆形或椭圆形银白色斑点,多在钢坯、重轨和大锻件中出现。对白点比较敏感的钢主要是合金结构钢和部分合金工具钢。当钢中氢含量高时,钢显著变脆,甚至失去塑性。当含氢高时,钢中又有相当大的内应力,这种内应力一方面来自过饱和氢从钢中析出所产生的

分子氢压力,另一方面来自固态相变时的热应力和组织应力,当内应力超过钢的断裂强度时,就会出现内部裂纹。

氢腐蚀主要发生在石油高压加氢和液化石油气的设备中。在300~500℃温度范围工作,由于高压氢与钢中碳起反应,在内界面形成CH4的高内压力而使钢脆化,引起晶界开裂。

钢的滞后破坏超高强度钢在低于屈服强度的静应力持续作用下,经过一定时间后,钢表面形成裂纹,并逐渐向内传播,直至突然断裂。这是由于氢和张应力交互作用的结果,发生在-100~+150℃温度范围,尤以室温表现最突出。在工件有缺口情况下,由于张应力作用,缺口前沿产生三向应力场,氢原子聚集于受三向张应力作用的缺口尖端区,当氢的浓度聚集到临界值后,使钢组织的塑性进一步降低,在张应力作用下促使缺口尖端处裂纹的扩展。钢中氢的临界值与张应力成反比,张应力越大,裂纹作一次扩展所需的临界氢含量越低。由于必须达到临界氢含量才能发生裂纹的一次扩展,需要一个聚集氢的时间,所以裂纹扩展是不连续的。此时钢中的氢来自:(1)环境氢,除H2H2S、H2O外,还有各种碳氢化物和水溶液,在使用环境中吸收的氢。(2)钢中固有氢。

降低或抑制钢氢致脆性的措施为:(1)降低钢中的氢含量。冶炼时采用精料,或采用真空冶炼或真空处理。焊接时采用低氢焊条,酸洗时采用缓蚀剂或采用降低引入氢的工艺。(2)热处理脱氢。对大型合金结构钢锻轧件在锻轧后缓冷,让钢中氢扩散排出,可防止白点。对超高强度钢和高合金铁素体钢,酸洗后要烘烤去氢。(3)为防止氢腐蚀,钢中可加入强碳化物形成元素钛、钒,形成Tic、Vc而将碳固定,使不与氢起反应(4)由于不稳定的奥氏体不锈钢,易诱发马氏体相变而引起氢脆,故应选用稳定的奥氏体不锈钢。

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