氫脆（Hydrogen Embrittlement）是一種材料失效現(xiàn)象，指的是金屬材料（尤其是高強(qiáng)度鋼、鈦合金等）在應(yīng)力和氫的共同作用下，其塑性和韌性顯著下降，從而導(dǎo)致脆性斷裂的現(xiàn)象。

       簡(jiǎn)單來說，就是金屬“吸”了氫之后，變得又“脆”又“弱”，在遠(yuǎn)低于正常斷裂強(qiáng)度的應(yīng)力下就可能突然發(fā)生斷裂，而且常常沒有明顯的塑性變形先兆，危險(xiǎn)性很高。

以下是氫脆的關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 核心機(jī)制：
   

• 氫原子非常小，能夠滲透進(jìn)入金屬的晶格內(nèi)部。

• 在應(yīng)力（外加應(yīng)力或殘余應(yīng)力）的作用下，氫原子會(huì)遷移并聚集在金屬內(nèi)部的微觀缺陷處（如晶界、位錯(cuò)、夾雜物附近等）。

• 氫在這些高應(yīng)力區(qū)域聚集后，會(huì)：
  

• 降低金屬原子間的結(jié)合力（內(nèi)聚力理論）： 使金屬更容易在應(yīng)力作用下發(fā)生解理斷裂。

• 促進(jìn)局部塑性變形和微裂紋的萌生與擴(kuò)展（氫促進(jìn)局部塑性變形理論）： 使裂紋更容易形成和擴(kuò)展。

• 形成氫化物（在某些金屬中如鈦、鋯、鉭）： 氫化物本身就很脆。

1. 氫的來源：
   

• 加工過程：
  

• 電鍍/鍍層： 普遍的來源之一。在酸洗和電鍍過程中，陰極反應(yīng)（析氫反應(yīng)）會(huì)產(chǎn)生氫原子，部分會(huì)滲入基體金屬。

• 酸洗/化學(xué)清洗： 使用酸去除氧化皮或銹蝕時(shí)，酸與金屬反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫原子。

• 焊接： 焊接熔池會(huì)吸收空氣中的水分或油污分解產(chǎn)生的氫。

• 陰極保護(hù)： 過度的陰極保護(hù)電流會(huì)導(dǎo)致被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面析氫。

• 服役環(huán)境：
  

• 腐蝕反應(yīng)： 金屬在酸、水或潮濕環(huán)境中腐蝕時(shí)，陰極反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫原子。

• 含氫氣氛： 在高壓氫氣環(huán)境或含硫化氫的油氣環(huán)境中服役。

• 高溫水環(huán)境： 如核電反應(yīng)堆中的某些部件。

1. 主要特征：
   

• 延遲斷裂： 氫脆斷裂往往不是發(fā)生在吸氫或加載的瞬間，而是需要一段時(shí)間（幾小時(shí)、幾天甚至更長(zhǎng)）讓氫擴(kuò)散并聚集到臨界濃度。這是它與普通脆斷的重要區(qū)別。

• 對(duì)高強(qiáng)度材料敏感： 材料的強(qiáng)度級(jí)別越高，對(duì)氫脆越敏感?？估瓘?qiáng)度大于約 1000 MPa 的鋼尤其危險(xiǎn)。

• 低應(yīng)力斷裂： 斷裂應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度。

• 脆性斷口形貌： 斷口通常呈現(xiàn)脆性特征，如沿晶斷裂（裂紋沿晶界擴(kuò)展）、準(zhǔn)解理斷裂，有時(shí)在裂紋源區(qū)能看到“雞爪紋”等氫脆特征。

• 對(duì)溫度和應(yīng)變速率敏感： 通常在室溫附近敏感性最高，應(yīng)變速率較低時(shí)更易發(fā)生。

1. 影響因素：
   

• 氫濃度： 進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫總量越高，風(fēng)險(xiǎn)越大。

• 氫陷阱： 金屬內(nèi)部的缺陷（晶界、位錯(cuò)、第二相粒子等）會(huì)“捕獲”氫原子。陷阱的類型和密度影響氫的分布和脆化程度。

• 應(yīng)力水平： 應(yīng)力（外加或殘余）是驅(qū)動(dòng)氫遷移和聚集的必要條件，應(yīng)力越高越危險(xiǎn)。

• 材料因素： 強(qiáng)度等級(jí)、微觀組織結(jié)構(gòu)（晶粒度、相組成）、合金元素、純凈度等。

• 溫度： 室溫附近最敏感，高溫下氫擴(kuò)散快不易聚集，低溫下氫擴(kuò)散慢且材料本身可能變脆。

• 時(shí)間： 氫擴(kuò)散和聚集需要時(shí)間。

1. 防護(hù)措施：
   

• 控制氫的來源：
  

• 優(yōu)化電鍍/酸洗工藝（如降低電流密度、使用緩蝕劑、縮短時(shí)間）。

• 電鍍后及時(shí)進(jìn)行烘烤除氫處理：這是常用、有效的方法之一。將零件在相對(duì)較低的溫度（通常 190°C - 230°C，具體取決于材料和強(qiáng)度）下保溫?cái)?shù)小時(shí)，讓氫擴(kuò)散逸出。

• 焊接時(shí)使用低氫焊材，嚴(yán)格清潔坡口。

• 避免過度陰極保護(hù)。

• 材料選擇與設(shè)計(jì)：
  

• 在滿足強(qiáng)度要求的前提下，優(yōu)先選用對(duì)氫脆敏感性較低的材料或較低強(qiáng)度等級(jí)的鋼。

• 避免設(shè)計(jì)上產(chǎn)生過高的應(yīng)力集中。

• 降低殘余應(yīng)力（通過熱處理如去應(yīng)力退火）。

• 表面處理/涂層：
  

• 采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等不會(huì)引入氫的涂層工藝替代電鍍。

• 施加致密的阻擋層（如油漆、塑料涂層）隔離金屬與含氫環(huán)境。

• 環(huán)境控制： 在服役環(huán)境中添加緩蝕劑，或控制環(huán)境中的氫分壓、濕度等。

總結(jié)：

氫脆是金屬材料（尤其高強(qiáng)度鋼）因吸收氫原子并在應(yīng)力作用下導(dǎo)致韌性急劇下降、發(fā)生低應(yīng)力脆斷的一種失效模式。它常見于電鍍、酸洗、焊接等加工過程以及腐蝕、高壓氫環(huán)境等服役條件中。其特點(diǎn)是延遲斷裂和對(duì)高強(qiáng)度材料的敏感性。防范氫脆的關(guān)鍵在于控制氫的引入、及時(shí)驅(qū)氫（烘烤）、合理選材與設(shè)計(jì)以及優(yōu)化工藝和環(huán)境。由于其失效的突發(fā)性和災(zāi)難性后果，在涉及高強(qiáng)度緊固件、彈簧、壓力容器、航空航天結(jié)構(gòu)、石油鉆采設(shè)備等領(lǐng)域必須高度重視氫脆風(fēng)險(xiǎn)。