化工設備失效分析課件(第7章)

第七章金屬(jīnshǔ)的氫損傷

氫損傷是指與氫的行為有關的金屬損傷。金屬從冶煉起，經(jīng)鑄、軋、鍛、焊、熱處理、機加工直到使用的過程中，都難免(nánmiǎn)程度不同地同含氫氣氛，含氫化合物（如H2O、H2S、各種酸溶液）乃至純氫發(fā)生接觸。于是在有些場合下就會發(fā)生金屬－氫－力三者先后或共同作用而導致金屬破壞。在航空、航天，交通運輸，尤其在化工、石油等部門都經(jīng)常發(fā)生氫致?lián)p傷并都有由此導致的事故。精品資料第一節(jié)氫損傷(sǔnshāng)的種類

氫損傷，按氫導致材料性能退化來看，可分為七大類九種。它們在發(fā)生場合、形成機理和產(chǎn)生后果等方面互有區(qū)別。（一）氫脆包括(bāokuò)氫應力開裂、氫環(huán)境脆化和氫致拉伸延性喪失三種。（二）氫化物氫脆這是指Ti、Zr等金屬內(nèi)部含氫過飽和，沉淀析出氫化物而脆化。

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（三）氫鼓泡發(fā)生0～150℃。當鋼因腐蝕或電解、電鍍而氫活度很高，以致在內(nèi)部產(chǎn)生的氫氣壓很高，將金屬膨脹起來，成為氣泡。（四）氫腐蝕發(fā)生的溫度較氫鼓泡為高，在205℃-595℃。其本質(zhì)是氫與鋼中的碳結合生成CH4而鼓泡。由于其受損的外形與氫鼓泡相似，故早期(zǎoqī)常將這兩者混為一談。精品資料

（五）發(fā)紋或白點指通常發(fā)生于大型鋼鍛件中的一種缺陷。一般認為煉鋼或其它工藝加熱(jiārè)時溶入的氫在鋼冷卻時于空隙、微縮孔等缺陷處沉淀析出。過量的氫與鍛件冷卻的內(nèi)應力共向作用導致內(nèi)部微裂，即為白點。（六）流變特性退化當鋼鐵或鎳基合金含有內(nèi)氫或處于氫環(huán)境中，其流變強度下降，特別表現(xiàn)在蠕變溫度下（T＞0.4Tm）的蠕變速率增大。

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（七）顯微穿孔在氣態(tài)氫壓特別高如2000大氣壓（196MPa）以上時（20～100℃），鋼中出現(xiàn)特別小的發(fā)紋以致氣體(qìtǐ)透出。在上述各種氫損傷小，常見且研究較多的是發(fā)紋或白點、氫應力開裂、氫腐蝕和氫鼓泡。精品資料第二節(jié)氫的來源(láiyuán)及其在金屬中的存在形態(tài)

一、內(nèi)氫的來源（一）當冶煉過程和熔化金屬時，爐氣中可能由于爐料中的有機物、水份分解而含有氫。（二）金屬在高溫的加熱(jiārè)（如熱處理和鍛造時）也能吸氫。（三）焊接時，尤其是電弧焊時，電弧區(qū)溫度很高，又有電場存在，使含氫的物質(zhì)如汗、油污等有機物及水、銹、空氣中的潮氣等，均能分解為氫的原子或質(zhì)子。精品資料

（四）金屬受到腐蝕（例如酸洗）時，M（固態(tài)(gùtài)金屬原子）→Mn+＋ne-Mn+進入溶液中，ne-留在金屬上。此時溶液中的H+到達金屬表面，H+＋e-→H。（五）電鍍時，被鍍零件作為陰極，帶有來自電源的負電荷。電鍍液中的正離子Mn+來到陰極發(fā)生中和：Mn+＋ne-→M與此同時，H+＋e-→H，也會進入金屬之中。精品資料

二、環(huán)境氫三、氫在金屬中的存在形態(tài)(xíngtài)氫在鐵、鈷、鎳中主要是以金屬鍵同基體作用，即固溶于其中。此時氫原子就將電子交給了基體金屬共用，本身成為H+即為質(zhì)子態(tài)。在Ti、Zr等金屬中，H與基體元素易結合成化合物MxHy，較穩(wěn)定地存在。在多晶體工程合金如鋼鐵中，除隨機分布的固溶H之處，H還會同其中的各種合金元素溶質(zhì)原子、晶體缺陷、各種化合物相發(fā)生程度不同的結合。精品資料

四、氫的擴散氫氣H2和化合態(tài)（CH4、氫同金屬的穩(wěn)定化合物）的氫不能在金屬中擴散，除非先發(fā)生分解。溶解態(tài)的氫（即屏蔽的質(zhì)子）能在金屬中較快地擴散。陷井中的氫要獲得足以克服勢陷井的能量(néngliàng)后，才能與其它H同樣地參予擴散過程。精品資料第三節(jié)鋼中氫損傷(sǔnshāng)的機理

氫對鋼的損傷機理，大體說來不外乎三種方式：一是氫作為破壞力的來源之一，主要指造成內(nèi)壓或內(nèi)應力；二是氫使材料弱化、脆化，這里是指固溶氫使金屬的表面能、結合能下降以及形成(xíngchéng)脆弱的氫化物MxHy，第三個方而則是氫參與并促進鋼的塑性變形（氫致塑變）和斷裂。精品資料第四節(jié)影響氫損傷(sǔnshāng)的因素及相應的控制措施

一、控制內(nèi)氫的來源及濃度（一）采用(cǎiyòng)低氫的煉鋼法，（二）焊接時控制氫的措施（三）正確地進行酸洗：二、在環(huán)境氫損傷情況下，設法阻礙氫進入鋼中三、在設計、制造，選材方面精品資料第五節(jié)氫損傷的斷裂(duànliè)和斷口分析

一、宏觀(hóngguān)分析不同類型的氫損傷導致材質(zhì)劣化的機理不同，所形成的斷裂和裂口形式也就不同。氫化物脆性是Ti、Zr等的氫化物沿晶界析出所致。當晶粒粗大和含氫量高時，金屬材料整體脆化。在快速載荷下（如沖擊）形成全面的脆性斷口。在氫含量較低、晶粒細小的情況下，則表現(xiàn)出相當?shù)乃苄?。精品資料

鼓泡多數(shù)都平行于板面（圖7-5）。一般說來，在正常周期性檢查時，可以(kěyǐ)在發(fā)生斷裂事故之前發(fā)現(xiàn)，如圖7-4。精品資料

氫鼓泡和氫腐蝕使材料的連續(xù)性、致密性破壞。在發(fā)生斷裂的嚴重條件下，雖然斷裂的宏觀塑性比原材料差，但視斷裂載荷不同，在細觀條件下仍可有明顯的塑性。區(qū)分氫鼓泡和氫腐蝕之依據(jù)是工作溫度、氫的來源(láiyuán)及金屬的脫碳程度。精品資料

延遲氫脆裂紋擴展到瞬斷截面時，形變速率增大，氫的脆化作用(zuòyòng)消失，其斷裂形式就同有裂紋的無氫試樣單調(diào)一次加載快速斷裂相同，決定于材料本性、零件尺寸和載荷情況。所以我們討論延遲氫脆斷口的重點是起裂點及慢速擴展區(qū)?？赡嫜舆t氫脆斷裂，在宏觀上是很脆的，看不出塑性變形。精品資料

延遲氫脆大多發(fā)生在強度較高的鋼材，如40CrNiMo之類零件電鍍后。由于斷裂在微觀上可能是沿晶，也可能是穿晶的，故宏觀上可能屬粒狀斷口；也可能較平坦，顯示出細結晶狀。其形貌受材料本性(běnxìng)（強度）影響，可有明顯的放射花樣。圖7-17為4043鋼的構件和缺口圓試樣的宏觀斷口。精品資料

單純的氫脆斷口上應是干凈的，沒有氧化膜、腐蝕產(chǎn)物、也沒有油污。故依此可以在宏觀上同應力腐蝕、淬火裂紋相區(qū)別。當然(dāngrán)這只限于斷裂后斷口未受額外的污染或腐蝕的情況。而這種情況實際上并不多。精品資料

二、微觀(wēiguān)分析作為裂紋(lièwén)（未完成的斷裂）分析，裂紋(lièwén)的金相形貌觀察可以發(fā)現(xiàn)裂紋(lièwén)擴展與金屬組織的關系。圖7－18是50BA鋼制槍拴經(jīng)酸洗及校正變形后在應力集中處發(fā)生的延遲氫脆裂紋(lièwén)的金相形貌，是典型的沿晶開裂。精品資料

這種開裂的途徑，與裂紋尖端的應力強度因子KI有關。如圖7－19所示，低KI時，氫脆的典型特征更明顯，是沿晶的；高KI時，傾向于微孔聚集的過載斷裂，是穿晶的。在KI中等(zhōngděng)大小時是一種穿晶的準解理斷裂。精品資料

與此相對(xiāngduì)應端口形貌也有如下幾種：沿晶、氫脆準解理和韌窩斷口。如圖7－20為300M鋼淬火（σｂ=1862～2068MPa）后鍍鎘再作持久承載時斷裂的斷口,為沿晶開裂。以后的擴展斷口為韌窩型。精品資料

圖7－21是65Mn鋼處理到HRC43的試片斷(piànduàn)口；未經(jīng)鍍鋅的一片只能在加大載荷條件下過載斷裂，為韌窩斷口；而鍍鋅的一片含氫量高，發(fā)生延遲氫脆，沿晶斷口上還能看到二次裂紋。精品資料

延遲氫脆的這類沿晶斷口和應力腐蝕(fǔshí)及沿晶析出物脆化不同，它沒有腐蝕(fǔshí)產(chǎn)物，看不到脆性第二相，而是在開裂晶界面上有微孔形小窩及變形的條痕，有的的象發(fā)紋，有的象雞爪。精品資料

這種微觀的塑性變形痕跡是氫致塑性變形高度集中