氫脆理論分析

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1、HIC的類型1、氫氣壓力引起的開裂溶解在材料中的H在某些缺陷部位析出氣態(tài)氫H2（或與氫有關(guān)的其它氣體），當(dāng)H2的壓力大于材料的屈服強度時產(chǎn)生局部塑性變形，當(dāng)H2的壓力大于原子間結(jié)合力時就會產(chǎn)生局部開裂。某些鋼材在表面酸洗后能看到象頭發(fā)絲一樣的裂紋，在斷口上則觀察到銀白色橢圓形斑點，稱為白點。白點的形成是氫氣壓力造成的。鋼的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)對白點形成有很大影響，奧氏體鋼對白點不敏感；合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼中容易形成白點。鋼中存在內(nèi)應(yīng)力時會加劇白點傾向。焊接件冷卻后有時也能觀察到氫致裂紋。焊接是局

2、部冶煉過程，潮濕的焊條及大氣中的水分會促進氫進入焊接熔池，隨后冷卻時可能在焊肉中析出氣態(tài)氫，導(dǎo)致微裂紋。焊接前烘烤焊條就是為了防止氫致裂紋。2、氫化物脆化許多金屬（如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、稀土等）能夠形成穩(wěn)定的氫化物。氫化物屬于一種脆性相，金屬中析出較多的氫化物會導(dǎo)致韌性降低，引起脆化。3、氫致滯后斷裂材料受到載荷作用時，原子氫H向拉應(yīng)力高的部位擴散形成H富集區(qū)。當(dāng)H的富集達(dá)到臨界值時就引起氫致裂紋形核和擴展，導(dǎo)致斷裂。由于H的擴散需要一定的時間，加載后要經(jīng)過一定的時間才斷裂，所以稱

3、為氫致滯后斷裂。氫致滯后斷裂的外應(yīng)力低于正常的抗拉強度，裂紋試件中外加應(yīng)力場強度因子也小于斷裂韌度。氫致滯后斷裂是可逆的，除去材料中的氫就不會發(fā)生滯后斷裂。即使在均勻的單向外加應(yīng)力下，材料中的夾雜和第二相等結(jié)構(gòu)不均勻處也會產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致氫的富集。設(shè)應(yīng)力集中系數(shù)為α，則σh=ασ，應(yīng)力集中處的氫濃度為：式中，CH－合金中的平均氫濃度；VH－氫在該合金中的偏摩爾體積（恒溫、恒壓下加入1摩爾氫所引起的金屬體積的變化）。若氫的濃度達(dá)到臨界值Cth時斷裂，對應(yīng)的外應(yīng)力即為氫致滯后斷裂的門檻應(yīng)力σth，

4、即：?若σ＜σth，即使經(jīng)過長時間擴散也達(dá)不到臨界氫濃度，不會發(fā)生氫致滯后斷裂；?若σ＞σth，經(jīng)過時間tf后，發(fā)生斷裂，且應(yīng)力越大，滯后斷裂時間越短。氫脆的特征1、延滯斷裂不管是原來鋼中含有一定量的氫或是后來由于環(huán)境提供的氫，其氫含量并未超過氫的溶解度極限，即氫處于固溶狀態(tài)時，那么在較低的靜載荷作用下，鋼將發(fā)生低速的應(yīng)變，最后發(fā)生脆斷。這種鋼在低應(yīng)力作用后，經(jīng)過一段孕育期，在內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，這種裂紋在應(yīng)力作用下進行亞臨界擴展，當(dāng)達(dá)到臨界裂紋長度時，發(fā)生突然脆性斷裂。這種斷裂稱為延滯斷裂，如右圖所

5、示。右圖所示的延滯斷裂應(yīng)力-時間曲線的形狀和含義與一般疲勞的S-N曲線相似，故有時也稱為靜疲勞曲線。曲線上存在一個上限應(yīng)力，即正常拉伸速度下得到的斷裂應(yīng)力。若應(yīng)力超過此上限值，鋼立即產(chǎn)生斷裂；曲線上也存在一個下限應(yīng)力，即應(yīng)力低于此值后，加載時間再長也不發(fā)生斷裂，該值稱為延滯斷裂（氫脆）的臨界應(yīng)力，以σHC表示。；在上、下限應(yīng)力之間，裂紋的孕育期和擴展速度基本相同。2、充氫高強度鋼在靜載作用下延滯斷裂應(yīng)力-時間曲線2、斷裂形態(tài)1）宏觀特征鋼出現(xiàn)氫脆時，由于塑性下降，故宏觀斷口比較齊平，裂紋源大多在

6、表皮下三軸拉應(yīng)力最大處。對于缺口試樣，缺口半徑大時，斷裂源遠(yuǎn)離缺口，半徑小時，則靠近缺口，如右圖所示。充氫的缺口拉伸試樣受靜拉力后的縱剖面2）微觀特征鋼的氫脆斷口沒有固定的微觀特征，它與裂紋前沿的應(yīng)力場強度因子K及充氫濃度CH有關(guān)。下圖示意地繪出了含氫高強度鋼在不同K值下的斷裂方式，當(dāng)K較大時，可以韌窩形式開裂；當(dāng)K降低時，轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫砘驕?zhǔn)解理斷裂；當(dāng)K較小時，才會出現(xiàn)沿晶斷裂。含氫高強度鋼在不同應(yīng)力場強度因子K下的斷裂方式(a)高K值的韌窩斷裂；(b)中K值的解理或準(zhǔn)解理斷裂；(c)低K值的沿晶

7、斷裂一般來說，在相同K值下，充氫濃度愈高，傾向于向解理及沿晶斷裂方式過渡。此外，氫脆斷口的一個重要特征是很少有沿晶的二次裂紋，垂直于主裂紋面作金相檢查時，主裂紋兩側(cè)一般沒有分叉現(xiàn)象。HIC機制氫導(dǎo)致氫脆必須有三個步驟：一是氫的進入；二是氫在金屬中的遷移；三是氫的局部化。因此氫脆的過程可示意地歸結(jié)于下圖中。資料指出[1]胡世炎.機械零件失效分析手冊[M].成都:四川科技出版社,1987.進入金屬內(nèi)部的氫以固溶氫的形式存在,而不再進行任何化學(xué)反應(yīng),少量的氫就可引起氫脆,對一般中強度鋼w(H)3×10

8、-6左右、高強度鋼w(H)大于1×10-6就足以導(dǎo)致氫脆三種典型的HIC機制?內(nèi)壓模型—氫在金屬中以分子態(tài)析出，產(chǎn)生的壓力使金屬在內(nèi)部缺陷處發(fā)生弱化導(dǎo)致氫脆。該模型在解釋某些合金鋼中的白點和焊接冷裂等現(xiàn)象較成功，但不能解釋氫致塑性損失和氫致滯后斷裂的可逆性。?表面吸附模型—氫在裂紋面上吸附使表面能降低，從而降低了裂紋擴展時的阻力。該模型對延性很好的金屬不適用，因為在延性金屬中，裂紋擴展的阻力主要來自于裂紋尖端塑性區(qū)的塑性變形功，表面能的貢獻(xiàn)很少。?結(jié)合鍵模型—氫溶入金屬晶格后使原子間結(jié)合力降低，