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氫脆的相關(guān)知識(shí)
2024-12-01
一氫脆的概念
氫脆是指金屬材料在冶煉、加工、熱處理、酸洗和電鍍等過程中,或在含氫介質(zhì)中長期使用時(shí),材料由于吸氫或氫滲而造成機(jī)械性能嚴(yán)重退化,發(fā)生脆斷的現(xiàn)象。
人們不僅在普通的鋼材中發(fā)現(xiàn)氫脆現(xiàn)象,在不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金和鋯合金中也都有此現(xiàn)象。
從機(jī)械性能上看,氫脆有以下表現(xiàn):氫對(duì)金屬材料的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度影響不大,但使延伸率是斷面收縮率嚴(yán)重下降,疲勞壽命明顯縮短,沖擊韌性值顯著降低。
在低于斷裂強(qiáng)度拉伸應(yīng)力的持續(xù)作用下,材料經(jīng)過一段時(shí)期后會(huì)突然脆斷。
二氫脆的機(jī)理
氫脆的機(jī)理學(xué)術(shù)界還有爭議,但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為以下幾種效應(yīng)是氫脆發(fā)生的主要原因:
1. 在金屬凝固的過程中,溶入其中的氫沒能及時(shí)釋放出來,向金屬中缺陷附近擴(kuò)散,到室溫時(shí)原子氫在缺陷處結(jié)合成分子氫并不斷聚集,從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力,使金屬發(fā)生裂紋。
2. 在石油工業(yè)的加氫裂解爐里,工作溫度為300-500度,氫氣壓力高達(dá)幾十個(gè)到上百個(gè)大氣壓力,這時(shí)氫可滲入鋼中與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷。
甲烷氣泡可在鋼中夾雜物或晶界等場(chǎng)所成核,長大,并產(chǎn)生高壓導(dǎo)致鋼材損傷。
3. 在應(yīng)力作用下,固溶在金屬中的氫也可能引起氫脆。
金屬中的原子是按一定的規(guī)則周期性地排列起來的,稱為晶格。氫原子一般處于金屬原子之間的空隙中,晶格中發(fā)生原子錯(cuò)排的局部地方稱為位錯(cuò),氫原子易于聚集在位錯(cuò)附近。
金屬材料所外力作用時(shí),材料內(nèi)部的應(yīng)力分布是不均勻的,在材料外形迅速過渡區(qū)域或在材料內(nèi)部缺陷和微裂紋處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中。
在應(yīng)力梯度作用下氫原子在晶格內(nèi)擴(kuò)散或跟隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)向應(yīng)力集中區(qū)域。由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結(jié)合力變?nèi)酰@樣在高氫區(qū)會(huì)萌生出裂紋并擴(kuò)展,導(dǎo)致了脆斷。
另外,由于氫在應(yīng)力集中區(qū)富集促進(jìn)了該區(qū)域塑性變形,從而產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。
還有,在晶體中存在著很多的微裂紋,氫向裂紋聚集時(shí)有吸附在裂紋表面,使表面能降低,因此裂紋容易擴(kuò)展。
4.某些金屬與氫有較大的親和力,過飽和氫與這種金屬原子易結(jié)合生成氫化物,或在外力作用下應(yīng)力集中區(qū)聚集的高濃度的氫與該種金屬原子結(jié)合生成氫化物。
氫化物是一種脆性相組織,在外力作用下往往成為斷裂源,從而導(dǎo)致脆性斷裂。
三氫脆的防止
氫脆給人類利用金屬帶來了風(fēng)險(xiǎn),因此研究氫脆的目的主要在于防止氫脆,由于氫脆的原因很多,而且人類的認(rèn)識(shí)也不夠透徹完整,所以現(xiàn)在還無法完全防止氫脆。目前防止氫脆的措施有以下幾種:
1.避免過量氫帶入--在金屬的冶煉過程中降低相對(duì)濕度,對(duì)各種添加劑和鋼錠模進(jìn)行烘烤保持干燥。
去氫處理--減緩鋼錠冷卻速度使氫有足夠的時(shí)間逸出,或把鋼材放在真空爐中退火除氫。
2. 鋼中添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?,形成彌散分布的第二相,做為氫的不可逆陷阱,使得材料中的可活?dòng)氫的含量相對(duì)地減少,從而降低材料的氫脆傾向。
3. 發(fā)展新的抗氫鋼種,氫在體心立方晶體結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散速度比六角密堆結(jié)構(gòu)或面心立方結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散速度高得多,所以抗氫鋼常以具有面心立方結(jié)構(gòu)的相為基,再加其他強(qiáng)化措施,可使其滿足使用強(qiáng)度要求。
4. 采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施--在酸洗或電鍍時(shí)在酸液或電解液中添加緩蝕劑,使溶液中產(chǎn)生的大量氫原子在金屬表面相互結(jié)合成氫分子直接從溶液中逸出,避免氫原子進(jìn)入金屬內(nèi)部。
2024 /
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