金屬氫脆
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2022-04-26
金屬氫脆的實例教程
因此，電鍍過程中，在陰極析出金屬（主反應(yīng)）的同時，
伴有氫氣的析出（副反應(yīng)）
。析氫的影響是多方面的，其中最主要的是氫脆。氫脆是表面處理中最嚴(yán)重的質(zhì)量隱患之一，析氫嚴(yán)重的零件在使用過程中就可能斷裂，造成嚴(yán)重的事故。表面處理技術(shù)人員必須掌握避免和消除氫脆的技術(shù)，以使氫脆的影響降低到最低限度。
什么是“氫脆”
01
氫脆現(xiàn)象
氫脆通常表現(xiàn)為
應(yīng)力作用下的延遲斷裂現(xiàn)象
。曾經(jīng)出現(xiàn)過汽車彈簧、墊圈、螺釘、片簧等鍍鋅件，在裝配之后數(shù)小時內(nèi)陸續(xù)發(fā)生斷裂，斷裂比例達40%～50%。某特種產(chǎn)品鍍鎘件在使用過程中曾出現(xiàn)過批量裂紋斷裂，曾組織過全國性攻關(guān)，制訂嚴(yán)格的去氫工藝。另外，有一些氫脆并不表現(xiàn)為延遲斷裂現(xiàn)象，例如：電鍍掛具（鋼絲、銅絲）由于經(jīng)多次電鍍和酸洗退鍍，滲氫較嚴(yán)重，在使用中經(jīng)常出現(xiàn)一折便發(fā)生脆斷的現(xiàn)象；精鍛用的芯棒，經(jīng)多次鍍鉻之后，墮地斷裂；有的淬火零件（內(nèi)應(yīng)力大）在酸洗時便產(chǎn)生裂紋。這些零件滲氫嚴(yán)重，無需外加應(yīng)力就產(chǎn)生裂紋，再也無法用去氫來恢復(fù)原有的韌性。
02
氫脆機理
延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于零件內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中的部位擴散聚集，應(yīng)力集中部位的金屬缺陷多（原子點陣錯位、空穴等）。氫擴散到這些缺陷處，氫原子變成氫分子，產(chǎn)生巨大的壓力，這個壓力與材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力及材料受的外加應(yīng)力，組成一個合力，當(dāng)這合力超過材料的屈服強度，就會導(dǎo)致斷裂發(fā)生。氫脆既然與氫原子的擴散有關(guān)，擴散是需要時間的，擴散的速度與濃差梯度、溫度和材料種類有關(guān)。因此，氫脆通常表現(xiàn)為延遲斷裂。
展開 雖然氫作為燃料有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景，但當(dāng)氫滲入金屬材料中，會對金屬造成嚴(yán)重破壞，其中最典型的就是金屬材料的氫脆現(xiàn)象[9]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對氫脆的機理進行了深入研究，其中鋼中氫陷阱的存在被認(rèn)為對氫的擴散和氫致開裂等有重要影響[10-11]。根據(jù)氫壓理論，進入金屬材料內(nèi)部的氫原子在陷阱處結(jié)合成氫分子引發(fā)氫壓，當(dāng)內(nèi)部壓力超過材料承受能力的某一臨界值時便引發(fā)氫脆[12]。通常把能夠與氫應(yīng)變場產(chǎn)生相互作用并把氫吸引在自己周圍的各種缺陷和第二相稱為氫陷阱。一般來說，不可逆的氫陷阱包括非金屬夾雜物[13]、析出相[14]、高角度晶界[15]和位錯核[16]。Hara等[17]和Huang等[18-19]對鋼中氫致裂紋進行微觀表征發(fā)現(xiàn)，非金屬夾雜物是裂紋形核的主要位置。Hejazi等[20]進一步研究指出，鋼中球狀的氧化鋁、氧化鈣夾雜和細(xì)長的硫化錳夾雜是對材料抗氫脆性能最不利的夾雜物。張瑞穎等[21]對焊件焊縫位置處的氫致裂紋進行了研究，通過對比鋼中含氧和含氮的夾雜物對裂紋萌生的影響發(fā)現(xiàn)，鋁、鎂、鈣等元素的氧化物夾雜處更易萌生氫致裂紋，而氮化物夾雜卻不易誘發(fā)氫致裂紋。
鋼的滲氫動力學(xué)參數(shù)可以有效反映鋼內(nèi)部顯微組織對氫原子的捕獲能力，擴散通量（J）、表觀擴散系數(shù)（Dapp）越大，鋼的顯微組織阻礙氫原子擴散的能力越小；J、Dapp越小，顯微組織對氫原子自由擴散的阻礙能力越大。相關(guān)研究結(jié)果表明，鋼的氫滲透動力學(xué)參數(shù)能夠在一定程度上作為評估其氫脆敏感性的標(biāo)準(zhǔn)，鋼的Dapp越高，就可以推測其具有較低的氫脆敏感性，結(jié)果就表現(xiàn)為具有較好的抗氫致開裂性能[22]。
展開 金屬和合金對氫脆的敏感性與微觀結(jié)構(gòu)以及原子進入和遷移到其晶格密切相關(guān)。奧氏體不銹鋼因其低的氫擴散率而被稱為最抗氫脆鋼材。因此，富含F(xiàn)e、Mn和Ni(具有fcc結(jié)構(gòu))的HEAs是極有前途的抗脆性金屬合金。
巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)的研究人員制備了
Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20
和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs，探討了氫擴散率與微觀組織之間的相互作用。相關(guān)論文以題為“Effect of alloying elements on the hydrogen diffusion and trapping in high entropy alloys”發(fā)表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113957
本文中Fe20 Mn20 Ni20 Co20 Cr20和Fe22 Mn40 Ni30 Co6 Cr2兩種HEAs均通過氬氣環(huán)境下電弧熔煉制備，通過Thermo-Calc軟件計算凝固過程中存在的析出相，合金凝固后進行900℃×1h均質(zhì)處理，再進行軋制，厚度減少90%。
通過相圖可以看出兩種HEA凝固后具有fcc結(jié)構(gòu)，隨著溫度降低，兩種合金都可能會形成σ相，在非等摩爾合金中，該第二相的形成溫度與等摩爾合金相比更低。熔煉時由于水冷銅坩堝冷卻較快，所以抑制了低溫相的形成。兩種合金微觀組織均呈現(xiàn)出大量退火孿晶的完全再結(jié)晶等軸晶粒。等摩爾合金的平均晶粒尺寸約10μm，非等摩爾合金的平均晶粒尺寸約50μm。
展開 
金屬氫脆的最新內(nèi)容
雖然氫作為燃料有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景，但當(dāng)氫滲入金屬材料中，會對金屬造成嚴(yán)重破壞，其中最典型的就是金屬材料的氫脆現(xiàn)象[9]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對氫脆的機理進行了深入研究，其中鋼中氫陷阱的存在被認(rèn)為對氫的擴散和氫致開裂等有重要影響[10-11]。根據(jù)氫壓理論，進入金屬材料內(nèi)部的氫原子在陷阱處結(jié)合成氫分子引發(fā)氫壓，當(dāng)內(nèi)部壓力超過材料承受能力的某一臨界值時便引發(fā)氫脆[12]。
導(dǎo) 讀
在任何電鍍?nèi)芤褐?，由于水分子的離解，總或多或少地存在一定數(shù)量的氫離子。因此，電鍍過程中，在陰極析出金屬（主反應(yīng)）的同時，
伴有氫氣的析出（副反應(yīng)）
。析氫的影響是多方面的，其中最主要的是氫脆。氫脆是表面處理中最嚴(yán)重的質(zhì)量隱患之一，析氫嚴(yán)重的零件在使用過程中就可能斷裂，造成嚴(yán)重的事故
金屬和合金對氫脆的敏感性與微觀結(jié)構(gòu)以及原子進入和遷移到其晶格密切相關(guān)。奧氏體不銹鋼因其低的氫擴散率而被稱為最抗氫脆鋼材。因此，富含F(xiàn)e、Mn和Ni(具有fcc結(jié)構(gòu))的HEAs是極有前途的抗脆性金屬合金。
