金屬氫脆的案例
什么是“金屬氫脆”現象？該如何解決？
因此，電鍍過程中，在陰極析出金屬（主反應）的同時，
伴有氫氣的析出（副反應）
。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重的質量隱患之一，析氫嚴重的零件在使用過程中就可能斷裂，造成嚴重的事故。表面處理技術人員必須掌握避免和消除氫脆的技術，以使氫脆的影響降低到最低限度。
什么是“氫脆”
01
氫脆現象
氫脆通常表現為
應力作用下的延遲斷裂現象
。曾經出現過汽車彈簧、墊圈、螺釘、片簧等鍍鋅件，在裝配之后數小時內陸續發生斷裂，斷裂比例達40%～50%。某特種產品鍍鎘件在使用過程中曾出現過批量裂紋斷裂，曾組織過全國性攻關，制訂嚴格的去氫工藝。另外，有一些氫脆并不表現為延遲斷裂現象，例如：電鍍掛具（鋼絲、銅絲）由于經多次電鍍和酸洗退鍍，滲氫較嚴重，在使用中經常出現一折便發生脆斷的現象；精鍛用的芯棒，經多次鍍鉻之后，墮地斷裂；有的淬火零件（內應力大）在酸洗時便產生裂紋。這些零件滲氫嚴重，無需外加應力就產生裂紋，再也無法用去氫來恢復原有的韌性。
02
氫脆機理
延遲斷裂現象的產生是由于零件內部的氫向應力集中的部位擴散聚集，應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，產生巨大的壓力，這個壓力與材料內部的殘留應力及材料受的外加應力，組成一個合力，當這合力超過材料的屈服強度，就會導致斷裂發生。氫脆既然與氫原子的擴散有關，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。因此，氫脆通常表現為延遲斷裂。
展開 周池樓(本刊青年編委),等：鋼中夾雜物對氫擴散行為的影響規律
雖然氫作為燃料有很大的應用和發展前景，但當氫滲入金屬材料中，會對金屬造成嚴重破壞，其中最典型的就是金屬材料的氫脆現象[9]。國內外眾多學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為對氫的擴散和氫致開裂等有重要影響[10-11]。根據氫壓理論，進入金屬材料內部的氫原子在陷阱處結合成氫分子引發氫壓，當內部壓力超過材料承受能力的某一臨界值時便引發氫脆[12]。通常把能夠與氫應變場產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現，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現，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氫致裂紋。
鋼的滲氫動力學參數可以有效反映鋼內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（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。相關研究結果表明，鋼的氫滲透動力學參數能夠在一定程度上作為評估其氫脆敏感性的標準，鋼的Dapp越高，就可以推測其具有較低的氫脆敏感性，結果就表現為具有較好的抗氫致開裂性能[22]。
展開 《Scripta Materialia》合金元素對高熵合金氫擴散和捕獲的影響!
金屬和合金對氫脆的敏感性與微觀結構以及原子進入和遷移到其晶格密切相關。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Fe、Mn和Ni(具有fcc結構)的HEAs是極有前途的抗脆性金屬合金。
巴西里約熱內盧聯邦大學的研究人員制備了
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。相關論文以題為“Effect of alloying elements on the hydrogen diffusion and trapping in high entropy alloys”發表在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結構，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出大量退火孿晶的完全再結晶等軸晶粒。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。
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