警惕！氢脆正在蚕食你的金属构件——全面防御指南
警惕！氢脆正在蚕食你的金属构件——全面防御指南
氢脆是一种由于氢进入材料内部而引起材料塑性下降的现象，它是材料-环境-力学化学场三方面的因素协同作用的结果。氢脆会导致材料过早断裂，从而引发安全事故。本文将全面介绍金属氢脆的产生原因、危害、断口特征以及去氢脆的方法，并分享2024年关于金属氢脆研究的最新进展。
金属氢脆
金属氢脆是一种由于金属中氢引起的材料力学性能下降、塑性下降、开裂或损伤的现象。在氢脆情况下会发生“延迟破坏”，因为氢原子的扩散需要一定时间来进行，所以破坏需要经历一定时间才会发生。
产生原因
一般对于氢脆敏感性比较高的材料，在酸洗或者电镀等操作后要及时进行去氢处理。在大型铸锻钢件中容易出现的白点缺陷，常常是由氢脆导致的。焊接中出现的延迟裂纹，扩散氢是它产生的主要原因。环境中氢气进入金属内部的原因是氢原子半径很小，很容易进入金属的晶格空隙之中并进行扩散运动，因此在材料缺陷位置原子重新结合或者与其他物质发生反应形成气态分子后，体积迅速膨胀导致该位置产生裂纹。
金属中氢的来源
金属中氢的来源有“内含”的及“外来”的两种：前者指材料在冶炼、热加工、热处理及随后的机械加工（如焊接、酸洗、电镀等）过程中所吸收的氢；而后者是指材料在致氢环境的使用过程中所吸收的氢。致氢环境既包括含有氢的气体，如 H2、H2S 等；也包括金属在水溶液中腐蚀时阴极过程所放出的氢。
氢脆的危害
氢脆的发生会严重影响零部件的使用性能，存在较大的安全隐患。由于氢脆所导致的滞后开裂的特性，因此在零件的设计加工时，尤其是液压元件工作在高压下，更需要严格控制。
氢脆的断口特征
氢脆断口与应力腐蚀断口有很多相似的地方甚至有时候会同时发生。氢脆的断口特征主要表现为脆性断裂，断口多为沿晶断裂，呈冰糖状，在晶界面上有撕裂棱，被称为鸡爪纹；有时出现解理或者准解理断裂。
去氢脆的方法
去除零件吸附氢气而产生的氢脆，一般选择使用干燥处理，干燥处理一般分为一般性干燥处理和低温干燥处理。干燥处理的方法如下：
- 干燥温度：一般性干燥处理，干燥温度200°C 左右；低温干燥处理，干燥温度在180°C 以下。
- 处理时间：干燥处理最好是在经过吸附氢气工序之后马上实施，最长不得超过4h。
- 连续处理：干燥处理的时间及温度按附表中要求执行，原则上必须一次处理完成，处理开始后，不能中断，按规定的时间连续保持并完成。
- 镀层处理：镀层剥离后再次电镀的情况，或在电镀之后又实施其他镀层的，脆化工序两次以上的情况，从最初的工序到实施最终工序后的干燥处理时间在4h 以内时，可只实施最终工序后的干燥处理，其他的可以省略。
2024年金属氢脆最新技术进展
以下是一些2024年关于金属氢脆研究的最新进展：
中信金属
据金融界2024年5月29日消息，据国家知识产权局公告，中信金属股份有限公司申请一项名为“一种材料抗氢脆性能的试验及评价方法“，公开号 CN202410089848.X，申请日期为2024年1月。专利摘要显示，本发明公开了一种材料抗氢脆性能的试验方法，其步骤包括：制备若干扩孔试样；对制作的扩孔试样中的部分试样进行同一条件下的充氢试验，剩余的试样未进行充氢试验；对充氢和未充氢的试样的扩孔试验方法采用“固定行程加载和裂纹有无判定”；计算有效试样的扩孔率。通过将力学试验与充氢试验进行技术分离，从而可采用常规的扩孔试验设备和电化学充氢条件，实现对材料抗氢脆性能评价。
鞍钢股份
据金融界2024年4月3日消息，据国家知识产权局公告，鞍钢股份有限公司申请一项名为“一种抗氢脆型冷轧 DH1200钢板及其生产方法“，公开号 CN117802420A，申请日期为2023年12月。专利摘要显示，本发明提供了一种抗氢脆型冷轧 DH1200钢板及其生产方法，钢板中各元素成分百分比计如下 C：0.15％～0.25％，Mn：1.5％～2.5％，Si：0.5％～1.5％，Al：0.7％～7.0％，Cr：0.02～0.80％，Ni：0.05～0.80％，P≤0.01％，S≤0.01％，N≤0.005％，Mg：0.005％～0.50％，Nb：0.01％～0.50％，Ti：0.01％～0.50％，且5≤Al/Si≤10，其余为铁及不可避免杂质；本发明以短流程低成本工艺路径和极致降本的合金设计实现汽车高强钢低碳、绿色、轻量化设计开发，同时兼顾超高强钢抗氢脆、高塑性和高成形性个性化需求，抗氢脆型冷轧 DH1200钢板及其生产方法。
北京科技大学
2022年8月20日，北京科技大学在《Nature Communications》发表了一项关于抗氢脆的研究成果。该研究发现并非所有的纳米析出相都能捕获氢，析出相与基体界面上的碳/硫空位和弹性拉应变场可能决定了界面的氢捕获行为。该成果为探究纳米尺度特征的氢捕获行为和微观机理提供了一种有效的实验方法，为利用纳米相析出相兼得强化和抗氢效果奠定了一定基础。
澳大利亚悉尼大学
2024年4月1日，澳大利亚悉尼大学国家显微与微分析中心科研团队一项新研究进一步解析了氢导致钢铁性能下降、发生“氢脆”的机理，同时发现在碳化物增强钢中添加钼（Mo）元素可显著增加其捕获氢的能力。研究成果已发表在《自然通讯》上。科研团队将钼与其他元素结合形成一种极硬的陶瓷“碳化物”，将该碳化物添加到钢中，然后使用“低温原子探针断层扫描”显微镜技术直接观察材料中的氢分布。研究发现，被捕获的氢原子位于碳化物位点核心，这表明添加钼有助于捕获氢。基准碳化钛钢（TiC）则没有表现出相同的氢捕获机制。科研团队表示，钼的添加有助于增加碳空位的产生，从而有效捕获氢。且添加的钼仅占钢总量的0.2％，这也使其成为具有成本优势的减少“氢脆”的解决方案。