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氢脆介绍基础知识 一：什么是氢脆? 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，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 hydrogen embrittlement 氢能进人许多金属，典型的如铂、钯以及储氢合金等，也能进入钢铁当金 属铁上阴极出氢时，氢离子或水分子放电后成为吸附在铁表面的氢原子，两个吸附氢原子可以复合成 氢分子而逸出，但也可以越过铁的表面，并扩散进入金属的晶格它会在缺陷处富集，同样复合成氢 分子，并逐步增大压强，在钢铁结构内部造成裂缝，降低其强度，甚至破裂这就是钢铁的“氢脆” ， 在电镀过程中以及对于输送含有硫化氢的油、气管道最为常见在介质中加入适当的缓蚀剂是有效的 防护方法 ——摘自《化学辞典》 （2004 年 4 月，化学工业出版社） Hydrogen embrittlement 氢进入金属内部，使金属中存在氢或氢与金属生成氢化物而导致金属脆化 影响氢脆的因素有(1)材料因素高强度金属材料和钛、钼等金属易发生氢脆屈服强度愈高，氢脆 敏感性愈大硫化物夹杂和未回火的马氏体组织易发生氢脆2)应力因素(指应力引起氢脆)在其他 条件相同时，在临界应力以上，应力愈高，氢脆敏感性愈大3)环境因素环境中有氢原子，或电 极反应有氢原子析出时，均可能引起敏感性金属的氢脆。

发生氢脆的温度为- 100～+200℃氢脆的断 裂性质为脆性断裂其断口宏观上是齐平的，无塑性变形断裂的显微特征是沿晶型的也可以是穿晶 型的对于氢化物型氢脆，其裂纹沿晶界扩展，并在晶界上可看到粒状氢化物 评定氢脆的方法采用(1)高温真空定氢技术测定金属中氢含量；(2)测量氢在金属中的渗透率；(3) 弯曲次数法，(4)通过测量断面收缩率，测定氢脆系数(0～1)，值愈小，氢脆敏感性愈小；(5)σ～tF 法 评定 ——摘自《安全工程大辞典》 （腐蚀、防腐） （1995 年 11 月化学工业出版社） hydrogen embrittlement(HE)钢中因含有氢而使材质变脆甚至引起断裂，是钢材氢损伤形态之一通过 电解、电镀、非真空条件下的冶炼与浇铸、湿环境焊接、热处理、H2S 环境、高温临氢环境等途径， 氢以原子态进入钢材内部， 在－100～100℃的温度区间内聚集成分子态之后， 一方面在钢材内造成内 压与内应力，另一方面氢又使材料弱化脆化(指固溶氢使钢材的表面．能降低易断裂，还可能与材料 中的 Ti、Zr、V、Nb、Ta 等元素形成脆弱的氢化物)这样将使材料的脆性上升，塑性与韧性下降，变 得易裂易断。

电镀过程中溶入钢内的氢导致零部件开裂是典型的氢脆高温加氢反应器在高温下吸收了足够的氢，停车时冷却过快使氢难以逸出钢材而使氢过饱和，将导致氢脆的出现但温度过高或过 低时不出现氢脆现象通常氢脆导致材料性能的退化可归纳为氢环境脆化(HEE)、应力开裂(HSC)、拉 伸延性损失三类碳钢、低合金钢和高强度钢均有氢脆倾向，尤以高强度钢最为严重 ——摘自《安全工程大辞典》 （材料、机械、装备） （1995 年 11 月化学工业出版社）(安全文化网) internal hydrogen embrittlement (IHE) 氢脆的一种，是经典的氢脆问题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(10—6 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 - - - -- 《安全工程大辞典》 （化学工业出版社） 二：电镀前消除内应力及电镀后除氢处理 三：紧固件电镀锌氢脆分析及预防[a] 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， 由延迟断裂氢脆引发的弹性紧固件断裂自然是一个严重的产品质量问题，人们可以采取各种技 术来减少和预防弹性紧固件的氢脆问题 1．材料缺陷的影响 弹性紧固件材料表面缺陷对电镀锌的有害影响是不容忽视的，比如钢板表面轻微裂纹折叠、 斑痕蚀坑 夹杂和超过允许深度的脱碳层，都会对弹性紧固件镀锌产生十分有害的影响，压弯成型不当造成表面 插划伤，局部应力集中等都会有不良影响 2．热处理工艺的影响 热处理工艺对弹性紧固件电镀锌后的氢脆是有较大影响的，若硬度≥45HRc 时，均会诱发或导致弹性 紧固件断裂 在确保热处理技术参数的前提下，选择适宜的加热温度，合理的加热时间，充分予以回火以最大限 度地消除组织应力和热应力，避免其有害影响淬火加热时应严防氧化和脱碳，网带炉碳势控制在 0.60%- 0.70%,盐浴炉必须认真脱氧捞渣,进行硬度检测时,严格注意表面层造成硬度虚假现象， 使硬度測 试值失真一般应控制在 42-44HRc 为佳，不要超过 45HRc。

3．电镀过程的影响 弹性紧固件由于氢的侵袭往往发生氢脆断裂，造成重大损失析氢渗氢在整个电解镀锌中是不可避免 的，析出的氢能够渗入镀锌层，甚至渗入基体金属内锌的吸氢大约在 0.001%-0.100%,而铁碳合金吸 氢在 0.1%左右氢在金属内使晶格扭曲，产生很大的内应力，致使其机械性能降低，析氢不仅对镀 层性能产生不利影响，如产生针孔、麻点、气泡等缺陷，而且会渗透至基体金属中，使金属韧性大大 降低，导致零件脆断析氢的原因除在热处理外，较高的加热温度，氢很容易渗入零件应力集中的区 域，酸洗和电镀都会发生析氢 4．氢脆的预防 ⑴电镀锌前必须严格控制阴极电解除油对弹性紧固件（尤其是厚度≤1mm） ，不宜采用阴极电解除 油，而是采用阳极电解除油、化学除油或超声波除油，也可以选用金属清洗剂除油（效果较好） ⑵对弹性紧固件不宜采用强酸腐蚀，而是采用喷砂或喷丸等处理方法达到净化、活化表面目的必须 进行酸洗活化处理时，选用盐酸较硫酸为好注意掌握酸洗时间不宜过长（每次控制 30- 60s） ，以多 次短时间比长时间酸洗效果好 ⑶应选择氢脆性较小的镀锌电解液，一般而言，禄化物型镀锌电解液相对析氢较少，产生氢脆的可能 性也小；而氰化物镀锌电解液析氢、渗氢较多，产生氢脆的机率也较大。

⑷采用有效的驱氢工序驱散渗氢，减少氢脆应力驱氢温度一般为 190- 230℃，驱氢时间 6- 8h在电镀锌后钝化前 2h 内进行，停留时间越短越好 四：紧固件电镀锌氢脆分析及预防[b] 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 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 3 避免和消除的措施 a.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。

b.采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层 一般认为,在电镀 Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb 时,渗入钢件的氢容易残留下来,而 Cu、Mo、Al、Ag、Au、 W 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,不会发生氢脆,耐蚀性提高 7～10 倍,附着力好,膜厚 6～8um,相当于较薄的镀锌层,不影响装配 c.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,其数量随时间的延长而增加新的国际标准草案规定“最好在镀后 1h 内,但不迟于 3h,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 150～300℃,保温 2～24h具体的处理温度和时间应根据零件大小、 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 110～ 220℃,温度控制的高低应根椐基体材料而定。

对于弹性材料、0.5mm 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 180～200℃ 4 应注意的问题。