氫脆的研究由來已久,各國學(xué)者對其在各種環(huán)境下的產(chǎn)生原理及過程有著廣泛而深入的探索。J.Woodtli等學(xué)者研究了氫脆現(xiàn)象和應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的特征及破壞作用;M.V.Biezma等學(xué)者探討了氫在微生物腐蝕環(huán)境下對于應(yīng)力腐蝕開裂過程的影響,結(jié)果表明在此環(huán)境下,氫脆和應(yīng)力腐蝕使材料力學(xué)性能的下降,并且兩者之間有協(xié)同作用;R.A.Oriani等學(xué)者在氫的作用導(dǎo)致材料性能降低方面進(jìn)行了研究,實驗重點考察了吸收和解吸作用對氫滲透電流的影響,建立了一種新型的氫滲透數(shù)據(jù)處理模型。


1. 環(huán)境因素的影響


  氫脆是特定材料在特定環(huán)境下的脆斷現(xiàn)象,是環(huán)境與材料相互作用的結(jié)果。敏感材料在含有氫元素的環(huán)境中都有可能發(fā)生氫脆,影響氫脆的環(huán)境因素有溫度、pH、氧化還原電位、特殊離子、氣體化合物等。


a. 溫度


 氫脆在溫度-30~30℃附近最敏感,一般發(fā)生在-100~150℃范圍內(nèi),在低溫或高溫時氫脆敏感性降低。隨溫度的升高氫在金屬中的溶解度、擴散速率升高。溫度不僅有利于氫滲透也有利于氫的復(fù)合,是一種雙重影響。溫度主要通過影響材料中氫濃度、氫擴散速率從而影響材料的氫脆。


b. pH值


  pH值的大小直接決定了H+的多少,進(jìn)而可能影響氫的生成,但并不是簡單的pH越低氫脆越容易發(fā)生。不同的材料和溶液會有不同的影響結(jié)果,通常情況下,由于pH值降低H+增多有利于氫的產(chǎn)生,氫脆敏感性升高。但E.M.K.Hillier等人研究發(fā)現(xiàn),電鍍中pH值降低有利于能抑制氫脆的富鈷相的形成,從而降低了材料的氫脆敏感性。雖然在高pH值條件下H+較少,但并不一定影響氫的生成,主要起決定作用的是陰極反應(yīng)。


c. 氧化還原電位


  電位越負(fù)越有利于析氫反應(yīng)的發(fā)生,因此更有利于氫脆的發(fā)生。Wen-Ta Tsai等人的研究發(fā)現(xiàn)2205雙相不銹鋼在陽極電位區(qū)以及腐蝕電位附近(380~500mV范圍內(nèi))均不發(fā)生氫脆,只有當(dāng)電位處于較負(fù)的陰極電位區(qū)(<900mV)時才發(fā)生氫脆。說明電位降低氫脆敏感性增高。特別是在對材料進(jìn)行陰極保護(hù)時,控制保護(hù)電位對預(yù)防氫脆更重要。


d. 特殊離子


  環(huán)境中的離子主要通過影響氫的產(chǎn)生,進(jìn)而影響材料的氫脆。其中,由于硫化氫或硫離子引發(fā)的SCC是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點,特別是在研究含硫原油輸油管道的環(huán)境脆斷時,氫脆機理以硫化氫氫脆為主。余剛等人研究發(fā)現(xiàn)隨溶液中硫化氫溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,16MnR鋼的穩(wěn)態(tài)滲氫電流密度逐漸增大,在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)趨于穩(wěn)定值。硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大使二價硫離子含量增加,對原子氫結(jié)合成氫分子的毒化作用也逐漸增強,鋼表面原子氫濃度的增大能增大滲氫的效率。亞硫酸根離子也能促進(jìn)氫滲透,特別是在含有二氧化硫的大氣氫滲透中作用更明顯。其他的離子,如氯離子能破壞金屬氧化膜,間接促進(jìn)氫滲透,而且含氯離子環(huán)境,如海洋環(huán)境等是材料脆斷的敏感介質(zhì),對氫脆也有一定的影響。


此外,生物因素,如硫酸鹽還原菌(SRB)在代謝過程中產(chǎn)生氫,對氫脆也會產(chǎn)生一定影響??傊?,環(huán)境對氫脆的影響主要是通過影響氫的來源和傳輸擴較敏感。



2. 材料本身對氫脆的影響


a. 強度水平


  一般氫脆敏感性隨硬度、強度的升高而增高。由于應(yīng)力梯度有利于氫擴散,因此材料在使用、焊接等處理工藝過程中等造成的殘余應(yīng)力會使其氫脆敏感性提高。


b. 合金元素


  氫與不同的金屬元素的結(jié)合作用能力,在其中的擴散速率不同造成不同金屬材料的氫脆敏感性也不同。如在鐵鎳二元合金中,氫的滲透速率隨Ni含量的增加而增大,欽合金對氫脆的敏感性較其他金屬更高,已經(jīng)成為研究熱點。


  U.Prakash等人研究發(fā)現(xiàn)鐵鋁合金中C或Al的含量升高能適當(dāng)抑制氫脆。


c. 微觀結(jié)構(gòu)


  不同的金屬以及合金都有不同的微觀結(jié)構(gòu),氫原子在金屬中主要是通過晶界或空隙擴散,而且主要偏聚在晶界、夾雜物等缺陷處。微觀結(jié)構(gòu)直接影響了氫在材料中的擴散、偏聚、與金屬的相互作用等材料脆斷過程中的關(guān)鍵步驟,是氫脆的重要影響因素。不同晶體結(jié)構(gòu)中,馬氏體比貝氏體、珠光體、鐵素體、奧氏體、沉積硬化鋼的氫脆敏感性高;貝氏體比珠光體、鐵素體的氫脆敏感性高;抑制氫脆方面鐵素體不如奧氏體,而且兩相的比例及晶粒大小也影響氫脆敏感性。微觀結(jié)構(gòu)中,位錯作為可逆陷阱,位錯密度越高越有利于氫的擴散傳輸,從而增高氫脆敏感性;相反作為不可逆陷阱的微觀結(jié)構(gòu)如金屬碳化物、晶間沉積物、轉(zhuǎn)變奧氏體結(jié)構(gòu)等的數(shù)量越多,分布越均勻,氫脆敏感性越低。一般認(rèn)為材料的晶粒越細(xì)、分布越均勻,缺陷越少,材料抗氫脆性能越好。此外,材料中的雜質(zhì)元素與主體元素結(jié)合,改變了其微觀結(jié)構(gòu)以及陷阱的數(shù)量和分布形態(tài),從而降低或提高材料的氫脆敏感性。