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1、氢脆的检测 英文名称：hydrogen embrittlement 其他名称：白点 定义 1：金属由于吸氢引起韧性或延性下降的现象。 所属学科：船舶工程（一级学科）；船舶腐蚀与防护（二级学科） 定义 2：钢材在冶炼、加工和使用中溶解于钢中的原子氢，在重新聚合 成分子氢时产生的巨大应力超过钢的强度极限时， 可以在钢内产生微裂 纹，导致材料的韧性或塑性下降的现象。 氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢 内部形成细小的裂纹，又称白点。氢脆只可防，不可治。氢脆一经产生，就消除 不了。在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内 部的微量氢(106
2、 量级)在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至 开裂。在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到 200以上数小 时，可使内氢减少)恢复钢材的性能。因此内氢脆是可逆的。热处理不适用的情况 热处理的方法是将工件加热至某一温度，保温一段时间，缓冷，使氢随 溶解度逐渐变小，逐渐析出。但加热会破坏镀层，因此热处理的方法对于经 过电镀的工件并不适用。如何防治 首先，尽量缩短酸洗时间；其次加缓蚀剂，减少产氢量。 压力容器的氢脆(或称氢损伤)是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料塑 性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。高温高压的氢对 钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内， 并
3、在金属内部再结合成分子， 产生很高的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢 脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物还原。造成压力容器氢脆破坏的氢，可以 是设备中原来就存在的，例如，炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被还原而 生成氢，并溶解在液体金属中。或设备在电镀或酸洗时，钢表面被吸附的氢 原子过饱和，使氢渗入钢中；也可以是使用后由介质中吸收进入的，例如在 石油、化工容器中，就有许多介质中含氢或含混有硫化氢的杂质。钢发生氢 脆的特征主要表现在微观组织上。它的腐蚀面常可见到钢的脱碳铁素体，氢 脆层有沿着晶界扩展的腐蚀裂纹。腐蚀特别严重的容器，宏观上可以发现氢 脆所产生的鼓包。介质中含氢(或
4、硫化氢)的容器是否会发生氢脆，主要决定 于操作温度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。温度越高、氢分压越高， 碳钢的氢脆层就越深，发生氢脆破裂的时间也越短，其中温度尤其是重要因 素。钢的含碳量越高，在相同的温度和压力条件下，氢脆的倾向越严重。钢 中添有铬、钛、钒等元素，可以阻止氢脆的产生。 出现氢脆的工件通过除氢处理（如加热等）也能消除氢脆，采用真空、 低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。 如电镀件的去氢都在 200240 度的温 度下，加热 24 小时可将绝大部分氢去除。 氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过 300和压力 高于 30MPa 时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高
5、温条件下。如合成氨 生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置； 石油化工生产过程中的甲醇合成塔等。 二：氢脆-钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。主 要发生在碳钢和低合金钢中。 氢脆现象-氢脆现象 氢脆现象 氢脆现象 氢脆现象 1、氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹。又称白 氢脆现象 点。 2 内氢脆 在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部的微量氢(106 量级)在内部残余的或外加的应力作用下导致 材料脆化甚至开裂。在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到 2
6、00以上数小时，可使内氢减少)恢复钢材的性能。因此内 氢脆是可逆的。 3.热处理适合氢脆。 热处理的方法是将工件加热至某一温度，保温一段时间，缓冷，使氢随溶解度逐渐变小，逐渐析出。 加热会破坏镀层。 4.如何防治。 主要是将酸洗控制好。 首先，尽量缩短酸洗时间；其次加缓蚀剂，减少产氢量。 压力容器的氢脆(或称氢损伤)是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。高 温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生 氢脆现象元素 很高的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化
7、物还原。造成压力容器氢脆破坏 的氢，可以是设备中原来就存在的，例如，炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被还原而生成氢，并溶解在液体金属中。或设备在电镀或 酸洗时，钢表面被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢中；也可以是使用后由介质中吸收进入的，例如在石油、化工容器中，就有许多介 质中含氢或含混有硫化氢的杂质。钢发生氢脆的特征主要表现在微观组织上。它的腐蚀面常可见到钢的脱碳铁素体，氢脆层有沿着晶界 扩展的腐蚀裂纹。腐蚀特别严重的容器，宏观上可以发现氢脆所产生的鼓包。介质中含氢(或硫化氢)的容器是否会发生氢脆，主要决定于 操作温度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。温度越高、氢分压越突，碳钢的氢脆层就越深，
8、发生氢脆破裂的时间也越短，其中温 度尤其是重要因素。钢的含碳量越高，在相同的温度和压力条件下，氢脆的倾向越严重。钢中添有铬、钛、钒等元素，可以阻止氢脆的 产生。 出现氢脆的工件通过除氢处理（如加热等）也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。如电镀件的去氢都在 200240 度的温度下，加热 24 小时可将绝大部分氢去除。 氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过 300和压力高于 30MPa 时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高温条 件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置；石油化工生产过程中的甲醇合成塔等。 氢脆的控制 高
9、强度的杀手氢脆 氢脆的控制 在任何电镀溶液中,由于水分子的离解,总或多或少地存在一定数量的氢离子。因此,电镀过程中,在阴极析出金属(主反应)的同时,伴有氢气 的析出(副反应)。析氢的影响是多方面的,其中最主要的是氢脆。氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一,析氢严重的零件在使用过程中 就可能断裂,造成严重的事故。表面处理技术人员必须掌握避免和消除氢脆的技术,以使氢脆的影响降低到最低限度。 一、氢脆 1 氢脆现象 氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件,在装配之后数小时内陆续发生断裂, 断裂比例达 40%50%。某特种产品镀镉件在使用过程中曾出现过批量
10、裂纹断裂,曾组织过全国性攻关,制订严格的去氢工艺。另外,有一些 氢脆并不表现为延迟断裂现象,例如:电镀挂具(钢丝、 铜丝)由于经多次电镀和酸洗退镀,渗氢较严重,在使用中经常出现一折便发生脆断的现 象;猎枪精锻用的芯棒,经多次镀铬之后,堕地断裂;有的淬火零件(内应力大)在酸洗时便产生裂纹。这些零件渗氢严重,无需外加应力就产生 裂纹,再也无法用去氢来恢复原有的韧性。 2 氢脆机理 延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多(原子点阵错位、空穴等)。氢扩散 到这些缺陷处,氢原子变成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力,组成
11、一个合力,当这合力超过材料 的屈服强度,就会导致断裂发生。氢脆既然与氢原子的扩散有关,扩散是需要时间的,扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关。因此, 氢脆通常表现为延迟断裂。 氢原子具有最小的原子半径,容易在钢、铜等金属中扩散,而在镉、锡、锌及其合金中氢的扩散比较困难。镀镉层是最难扩散的,镀镉时 产生的氢,最初停留在镀层中和镀层下的金属表层,很难向外扩散,去氢特别困难。经过一段时间后,氢扩 防氢脆现象用品 散到金属内部,特别是进入金属内部缺陷处的氢,就很难扩散出来。常温下氢的扩散速度相当缓慢,所以需要即时加热去氢。温度升高,增加 氢在钢中的溶解度,过高的温度会降低材料的硬度,所以镀前去应力
12、和镀后去氢的温度选择,必须考虑不致于降低材料硬度,不得处于某些钢 材的脆性回火温度,不破坏镀层本身的性能。 二、避免和消除的措施 1 减少金属中渗氢的数量 在除锈和氧化皮时,尽量采用吹砂除锈,若采用酸洗,需在酸洗液中添加若丁等缓蚀剂;在除油时,采用化学除油、清洗剂或溶剂除油,渗氢量较 少,若采用电化学除油,先阴极后阳极;在电镀时,碱性镀液或高电流效率的镀液渗氢量较少。 2 采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层 一般认为,在电镀、时,渗入钢件的氢容易残留下来,而、等金属镀层 具有低氢扩散性和低氢溶解度,渗氢较少。在满足产品技术条件要求的情况下,可采用不会造成渗氢的涂层,如达克罗涂覆层可以代替镀锌,
13、 不会发生氢脆,耐蚀性提高 710 倍,附着力好,膜厚 68,相当于较薄的镀锌层,不影响装配。 3 镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患 若零件经淬火、焊接等工序后内部残留应力较大,镀前应进行回火处理,减少发生严重渗氢的隐患。 对电镀过程中渗氢较多的零件原则上应尽快去氢,因为镀层中的氢和表层基体金属中的氢在向钢基体内部扩散,其数量 防氢脆现象产品 随时间的延长而增加。新的国际标准草案规定“最好在镀后 1内,但不迟于 3,进行去氢处理” 。国内也有相应的标准,对电镀锌前、后的 去氢处理作了规定。电镀后去氢处理工艺广泛采用加热烘烤,常用的烘烤温度为 150300,保温 224。具体的处理温度和时间应
14、根 据零件大小、强度、镀层性质和电镀时间的长短而定。去氢处理常在烘箱内进行。镀锌零件的去氢处理温度为 110220,温度控制的 高低应根椐基体材料而定。 对于弹性材料、 0.5以下的薄壁件及机械强度要求较高的钢铁零件,镀锌后必须进行去氢处理。 为了防止 “镉 脆”,镀镉零件的去氢处理温度不能太高,通常为 180200。 三、应注意的问题 材料强度越大,其氢脆敏感性也越大,这是表面处理技术人员在编制电镀工艺规范时必须明确的基本概念。 国际标准要求抗拉强度105 /2 的钢材,要进行相应的镀前去应力和镀后去氢处理。法国航空工业对屈服强度90/2 的钢件就要求作相应去氢处 理。 由于钢材强度与硬度有
15、很好的对应关系,因此,用材料硬度来判断材料氢脆敏感比用强度来判断更为直观、方便。因为一份完善的产品图和 机加工工艺都应标注钢材硬度。在电镀中我们发现钢的硬度在38 左右时开始呈现氢脆断裂的危险。 对高于43 的零件,镀后应 考虑去氢处理。硬度为60 左右时,在表面处理之后必须立即进行去氢处理,否则在几小时之内钢件会开裂。 除了钢材硬度外,还应综合考虑以下几点： (1)零件的使用安全系数:安全重要性大的零件,应加强去氢;(2)零件的几何形状:带有容易产生应力集中的缺口,小等的零件应加强去氢;(3) 零件的截面积:细小的弹簧钢丝、较薄的片簧极易被氢饱和,应加强去氢;(4)零件的渗氢程度:在表面处理
16、中产生氢多、处理时间长的零件, 应加强去氢;(5)镀层种类:如镀镉层会严重阻挡氢向外扩散,所以要加强去氢;(6)零件使用中的受力性质:当零件受到高的张应力时应加强去 氢,只受压应力时不会产生氢脆;(7)零件的表面加工状态:对冷弯、拉伸、冷扎弯形、淬火、焊接等内部残留应力大的零件,不仅镀后要加强 去氢,而且镀前要去应力;(8)零件的历史情况:对过去生产中发生过氢脆的零件应特别加以注意,并作好相关记录。 弹性紧固件电镀锌氢脆分析及预防为有效地提高弹性紧固件(弹簧垫圈、锥形垫圈、鞍形垫圈、波形垫圈等)抗蚀防护性能和装饰性，多半要进行表面处 理，如发黑、磷化、电镀锌等处理。其中电解镀锌及钝化处理应用更为广泛。 加上弹性紧固件的硬度一般在 42-50HRc 之间，由于材料及表面处理的原因，它对氢比较敏感，在电镀后，除氢处 防氢脆现象处理过的产品 理未达到驱氢目的，其残存的氢会造成弹性紧固件的延迟断裂。 目前，由延迟断裂氢
