什么是氫損傷？
氫損傷是指金屬中由于含有氫或金屬中的某些成分與氫反應，從而使金屬材料的力學性能變壞的現(xiàn)象。氫損傷導致金屬材料的韌性和塑性性能下降，易使材料開裂或脆斷。氫損傷與氫脆的含義是不一樣的，氫脆主要涉及金屬材料脆性增加，韌性下降，而氫損傷含義要廣泛得多，除涉及韌性降低、開裂外，還包括金屬的其他物理性能下降。
根據(jù)氫引起金屬破壞的條件、機理和形態(tài)，氫損傷可分為氫鼓泡、氫脆、氫腐蝕三類。氫鼓泡是由于氫進人金屬內部而使金屬局部變形，嚴重時金屬結構完全破壞。氫脆是由于氫進人金屬內部而引起韌性和抗拉強度下降。氫腐蝕是指高溫下合金中的組分與氫反應，如含氧銅在氫作用下的碎裂，含碳鋼的脫碳造成機械強度下降。
氫損傷是氫與材料交互作用引起的一種現(xiàn)象。氫的來源可分內氫和外氫兩個方面。內氫是指冶煉、鑄造、熱處理、酸洗、電鍍、焊接等工藝過程中引人的氫。外氫或環(huán)境氫是指材料本身氫含量很小，但使用中或試驗中從能提供氫的環(huán)境吸收的氫，如與含H氫的介質（H2、H2S）接觸或處在腐蝕或應力腐蝕過程中，若存在氫還原的陰極反應，部分氫原子也會進人金屬中。由于氫和金屬的交互作用，氫可以以 H、 H+、 H-、 H2、金屬氫化物、固溶體化合物、碳氫化合物（如 CH4氣體）、氫氣團等多種形式存在。氫在金屬中的分布是不均勻的，易于在應力集中的位錯、裂紋尖端等應力集中的缺陷區(qū)域擴散和富集。
氫損傷機理
關于金屬材料的氫損傷機理的理論較多，但是各具特點，且均存在局限性。下面簡要介紹氫脆、氫鼓泡及氫腐蝕的機理。
① 氫脆機理 氫脆是指由于氫擴散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導致材料斷裂的現(xiàn)象。氫脆機理，大多數(shù)認為是溶解氫對位錯滑移的干擾。這種滑移干擾可能是由于氫集結在位錯或顯微空穴的附近，但是精確的機理仍然沒有搞清楚。原子氫與位錯的交互作用理論（氫釘扎理論）認為：因各種原因進入金屬內部的氫原子存在于點陣的空隙處，在應力的作用下，氫原子會向缺陷或裂紋前線的應力集中區(qū)擴散，阻礙了該地區(qū)的位錯運動，從而造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗塑性變形的能力，也叫做氫釘扎理論。因此，任外力作用下，能量只能通過裂紋擴展釋放，故氫的存在加速了裂紋的擴展。
② 氫鼓泡機理 氫鼓泡是指過飽和的氫原子在缺陷位置析出后，形成氫分子，在局部區(qū)域造成高氫壓。引起表面鼓泡或形成內部裂紋，使鋼材撕裂開來的現(xiàn)象，稱為氫誘發(fā)開裂或氫鼓泡。
由于腐蝕反應或陰極保護，氫在內表面析出，有許多氫擴散通過鋼壁，在外表面結合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴散到一個空穴內，結合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴散到一個空穴內，結合成氫分子。因為氫分子不能在空穴內向外擴散，導致空穴內的氫濃度和壓力上升。當鋼中氫濃度達到某個臨界值時，氫壓足以誘發(fā)裂紋，在氫源不斷向裂紋中提供H2的情況下，裂紋不斷擴展。
③ 氫腐蝕機理 氫腐蝕是指在高溫高壓條件下，氫進入金屬，發(fā)生合金組分與氫的化學反應，生成氫化物等，從而導致合金強度下降，發(fā)生沿晶界開裂的現(xiàn)象。
氫腐蝕中伴隨著化學反應。如含氧銅與氫原子反應，生成水分子高壓氣體；又如，碳鋼中滲碳體與氫原子反應，生成甲烷高壓氣體。
2H + Cu → 2Cu + H2O
4H + Fe3C → 3Fe + CH4
在高溫高壓含氫條件H下，氫分子擴散到鋼的表面，并產生物理吸附，被吸附的部分氫分子轉變?yōu)闅湓樱纬苫瘜W吸附。然后直徑很小的氫原子會通過晶格和晶界向鋼內擴散。固溶的氫與滲碳體反應生成甲烷，甲烷在鋼中擴散能力很低，聚集在晶界原有的微觀空隙內。反應進行過程中，降低了該區(qū)域的碳濃度，其他位置上的碳通過擴散給予不斷補充。這樣甲烷量不斷增多，形成局部高壓，造成應力集中，使該處發(fā)展為裂紋，當氣泡在晶界上達到定壓力后，造成沿晶開裂和脆化。
影響氫損傷的因素
① 氫含量影響 氫含量增加，氫損傷敏感性加大，鋼的臨界應力下降，延伸率減小，當H2中含有適量O2、CO、CO2時，將會大大抑制氫損傷滯后開裂過程，因為鋼表面吸附這些物質分子將會造成對氫原子的競爭吸附，阻止了對氫吸附。
② 溫度的影響 隨著溫度的升高，氫的擴散加快，使鋼中含氫量下降，氫脆敏感性降低，當溫度高于65℃時，一般就不易產生氫脆了。當使用溫度過低，氫在鋼中的擴散速度也大大降低，也使氫脆敏感性下降，故氫脆一般在30-30℃范圍易于產生。但對于氫損傷，如氫與合金中成分的反應，如脫碳過程，則必須在高溫下才會發(fā)生，這是由于高溫下化學反應活化能會降低。
③ 溶液pH值的影響 酸性條件能夠加速氫的腐蝕，隨著pH值的降低，斷裂時間縮短，當pH>9時，則不易發(fā)生斷裂。
④ 合金成分的影響 一般Cr、Mo、W、T、V、Nb等元素，能夠和碳形成碳化物因此可以細化晶粒，提高鋼的韌性，對降低氫損傷敏感性是有利的。而Mn能夠使臨界斷裂應力值降低，故加入鋼中是有害的。
氫損傷的控制措施
① 選用耐氫脆合金 通過調節(jié)合金成分和熱處理可獲得耐氫脆的金屬材料。例如最易產生氫脆的材料是高強鋼，在合金中加入鎳或鉬可減小氫脆敏感性，合金中加入Cr、Al、Mo等元素則會在鋼表面形成致密的保護膜，阻止氫向鋼內擴散，加入少量低氫過電位金屬Pt、Pd和Cu等，能吸附氫原子并很使形成氫分子逸出，加人Ti、B、V和Nb等碳化物穩(wěn)定性元素，將促使鋼中的碳形成穩(wěn)定碳化物，降低鋼中CH4的生成率。采用含Cu的鋼，則在含有H2S水介質中形成致密的CuS產物，降低氫誘發(fā)開裂傾向。馬氏體鋼對氫裂特別敏感，如果將馬氏體結構改變?yōu)橹楣怏w結構，則氫裂敏感性降低。碳鋼經過熱處理后生成球化的碳結構，對氫裂有較高的穩(wěn)定性。
② 添加緩蝕劑或抑制劑 在水溶液中一般采取加入緩蝕劑的方法，抑制鋼中氫的吸收量，減小腐蝕率和氫離子還原速度。例如在酸洗時，應在酸洗液中加入微量錫鹽，由于錫在金屬表面的析出，阻礙了原子氫的生成和滲入金屬。在氣態(tài)氫中，一般加入氧作為抑制劑，由于氧的加入，氧原子優(yōu)先在裂紋尖端吸附，生成了具有保護性的膜，從而阻止了氫向金屬內部的擴散。
③ 合理的加工和焊接工藝 可以通過改善冶煉、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等工藝條件，以減小帶入的氫量。例如工業(yè)上常常采用烘烤除氫的方法恢復鋼材的力學性能。采用真空冶煉、真空重熔、真空脫氣、真空澆注等冶金新工藝，提高材質，避免氫的帶入，改善高強鋼滯后斷裂的敏感性。焊接時采用低氫焊條，并保持干燥條件進行焊接。電鍍時使用低氫脆工藝，提高電鍍的電流效率，減少氫的析出，對高強度鋼采用合金電鍍、離子鍍和真空鍍等。酸洗時合理選用緩蝕劑、減小腐蝕率。
氫脆的檢測及預防
氫脆主要有以下兩種檢測方法：預載荷試驗平行支承面法和硅油檢測法。
① 預載荷試驗平面支承面法 預載荷試驗應在適當?shù)脑囼瀶A具上進行。緊固件承受的應力應在其屈服點以內 ,或者處在破壞扭矩的范圍內。該應力或扭矩應至少保持 48h以上。每隔 24h應將緊固件再擰緊到初始應力或扭矩 , 同時檢查緊固件是否因氫脆已發(fā)生破壞。該試驗主要用于緊固件 , 其它零件亦可參考使用 , 具體方法見 GB/T 3098.17-2000 《緊固件機械性能檢查氫脆用預載荷試驗平行支承面法》。
② 硅油檢測法 用 200#硅油加熱到 200 ℃±10 ℃恒溫 ,慢慢將試樣置入有硅油的容器中 ,5 分鐘后檢查 , 若無連續(xù)氣泡產生 , 則視為合格。亦有資料建議采取石蠟 （180 ℃±10 ℃ ）或凡士林 （120 ℃±10 ℃ ）替代硅油進行檢查。
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信息來源：《金屬電化學腐蝕與防護》、網(wǎng)絡
