浅谈氢在钢中的角色——氢致开裂
浅谈氢在钢中的角色——氢致开裂
氢致开裂（Hydrogen-induced cracking，简称HIC）是材料科学领域一个重要的研究课题。当氢原子进入钢铁基体时，会导致钢材脆化并引发开裂，这种现象在工业生产中具有重要影响。本文将从氢致开裂的定义、历史案例、影响因素、断口特征以及除氢处理方法等方面进行详细探讨。
氢致开裂的定义与影响因素
氢致开裂通常发生在水溶液环境中，氢通过扩散进入钢的基体，导致钢发生脆化和开裂。这种现象往往在成型或精加工过程中因偶然因素导致氢进入钢的基体而发生。氢致开裂的发生主要受以下三方面因素影响：
材料性能：含有铬、镍的高强钢对氢很敏感，碳含量较高的钢更容易发生氢致开裂，而低碳钢则相对不易发生。此外，组织致密的锻件比组织疏松的铸件更易发生氢致开裂。
环境因素：水溶液环境是氢致开裂的重要诱因，氢原子渗透到钢内部后会降低晶粒间的原子结合力，使钢材的韧性下降。
应力因素：氢致开裂具有滞后性，对于焊接构件，其发生具有突然性，可能对人身和财产构成严重威胁。
历史案例：二战期间的喷火战斗机事故
1940年前后，英国皇家空军一架喷火战斗机因机械故障坠毁，飞行员当场毙命。事故调查发现，主轴断裂是事故的主要原因，在断裂主轴内部发现了大量细小裂纹，当时被称为“发纹”。这一发现促使中国科学院金属研究所的创建者李薰先生开始从事相关研究工作。他发明了定氢仪，用于测定钢中的氢含量，最终证明是氢引起了飞机主轴的断裂。李薰先生也因此成为氢致开裂领域的创始人。
氢致开裂的断口特征
氢致开裂的断口与其他脆性断口很相似，高强材料容易出现沿晶断口。对于低碳钢，在沿晶的小刻面上容易出现细小的、发育不完整的韧窝，有人将其称为“鸡爪纹”。
氢脆断口示意图
除氢处理方法
如何消除金属中的氢是大家最关心的问题。某些钢材或用于特殊条件下的零件，必须进行除氢处理，例如飞机上使用的镀锌件都要经过除氢处理。弹性零件和高强度钢上镀锌也需要进行除氢。除氢采用加热处理法将氢从零件内部赶出去。除氢效果与除氢温度、保温时间有关。温度高，时间长除氢越彻底。
通常，可以将欲除氢的构件放置在真空烘箱内，在200～250℃温度下处理2～3h。热油中除氢能获得与在烘箱中除氢具有同样的效果，受热均匀，对设备要求也更为简单。
结语
氢致开裂是材料科学领域一个重要的研究课题，其研究对于提高材料性能、保障工业生产安全具有重要意义。通过除氢处理等方法可以有效预防氢致开裂的发生，保障材料的使用安全。
文章来源：金属材料科学与技术