氢损伤和滞后断裂

1、氢损伤和滞后断裂工程材料的失效分析工程材料的失效分析概述概述金属中的状态金属中的状态扩散和迁移扩散和迁移不可逆损伤不可逆损伤理论理论氢工程材料的失效分析l 氢损伤和滞后断裂既是一个理论课题又是一个重大的工程实际问题，与此有关的质量事故屡见不鲜。随着能源的开发，输运和转化以及超高强度材料的广泛使用，这个问题愈来愈来突出。因此，发展具有良好抗氢损伤和滞后断裂性能的新材料、新工艺乃是亟待解决的问题。另一方面，长期以来对氢损伤和滞后断裂的理论一直有争议，故这是尚未解决的而值得深入研究的领域。概述概述氢氢的扩散和迁移的扩散和迁移1、氢的来源、氢的来源构件和试样构件和试样 中的氢中的氢l冶炼时进入的氢l酸

2、洗和电镀引入的氢l焊接过程进入的氢l环境提供的氢工程材料的失效分析钢镉镀层HHHHSo easy!I cant find a way out!HHHHl 氢的三种形态： H、H+、H-质子模型：氢原子进入金属后分解为质子和电子即H H+e-即H的1s电子全部进入导带从而形成H+。l 另一观点认为过渡族金属（Fe、Ni等）的d带没有填满因而部分氢的1s电子将进入金属的d带，金属的d带的重叠将使金属离子间的排斥力升高，这将会导致点阵结合力强度下降。l 最近研究表明，H 的1s电子部分地和金属的p、d状态的轨道混合变成结合性很强的状态。2、氢在金属中的形式、氢在金属中的形式lH、H+、H-、H2、金

3、属氢化物、CH4、气团等 工程材料的失效分析分子氢分子氢：一般处在金属内部的缺陷（如空洞、气孔小裂纹以及晶界等）处，H2聚集在内部缺陷处会产生内压力，金属中形成的分子氢活动能力很差，一般不能通过晶格扩散到表面。金属金属氢化物氢化物：氢在金属中分布不均匀，当局部区域氢浓度超过固溶度时就可形成金属氢化物。氢原子气团氢原子气团：氢处在陷阱或形成氢化物能使系统能量下降，由于氢原子直径很小，因此气团内的 氢原子浓度是极高的。工程材料的失效分析氢氢陷阱陷阱本质：本质：晶体缺陷、线缺陷、面缺陷以及第二相周围存在应变场，与此相应的存在一个内应力场，它能和氢应变场相互作用，把氢吸附在自己周围。可逆陷阱：可逆陷阱

4、：陷阱结合能Eb较小，平衡常数K就小，即使在室温，氢也能从陷阱中跑出而进入间隙位置。不不可逆陷阱：可逆陷阱：陷阱结合能Eb较大，在室温，氢难于从陷阱中跑出。Tip：高温时不可逆陷阱能变成可逆陷阱。：高温时不可逆陷阱能变成可逆陷阱。trapHELP !晶界晶界HH工程材料的失效分析 3 3、氢在金属中的扩散机制、氢在金属中的扩散机制l正常扩散正常扩散l异常扩散异常扩散l隧道扩散隧道扩散l 异常异常扩散扩散1、晶界扩散：晶粒边界原子不规则，结构疏松，间隙原子容易通过这些区域。即沿晶界扩散所需激活能要小。2、沿位错管道扩散：位错具有一定宽度，相当于一个管道。l正常正常扩散扩散l 隧道扩散隧道扩散1、

5、能量E小于势垒而仍能贯穿势垒的现象称为隧道效应。温度高时，正常扩散的几率大，隧道效应占比重小，温 度低时候明显。HH能量能量E工程材料的失效分析工程材料的失效分析工程材料的失效分析氢的迁移氢的迁移1、氢在金属中扩散很快，因而当位错运动时氢气可以跟着位错一起运动。2、迁移引起的氢富集A、位错能带着氢气团一起运动，当异号位错相遇时位错销毁，这时位错上的氢气团的氢被附近的陷阱捕获，这会导致点阵中局部地区氢浓度升高。B、位错遇到强的障碍（晶界、夹杂空洞），位错必须把接触面上的氢全部倾倒在障碍上才能绕过障碍。工程材料的失效分析不可逆损伤不可逆损伤氢损伤类型氢损伤类型l白点白点l氢腐蚀氢腐蚀l氢鼓泡氢鼓泡

6、l氢化物脆化氢化物脆化高温时氢在钢中溶解度大，低温时大大减小，材料从高温冷却时氢过饱和，析出大量氢，一方面逸出金属表面（表面反应限制，外逸速度较慢），另一方面氢在缺陷处富集，在位错处聚集的是原子氢，在空洞等缺陷是分子氢，分子氢浓度增大，产生较大氢压，氢压超过材料断裂强度产生裂纹及裂纹扩展。氢只有扩散到空洞、微空隙、微裂纹等内部空腔处才能复合成分子氢从而产生巨大压力。这些空腔称为白点核。H2HLets g0 inside and merge!H两个同号位错两个同号位错工程材料的失效分析l高温氢腐蚀高温氢腐蚀1 1、表面脱碳、表面脱碳低碳钢在高温高压的氢气环境中使用时，钢中的碳（或Fe3C）能和H2反应生成CH4，扩散离开构件，使得构件表层严重脱碳从而使强度大大降低。C+2H2 CH42、氢腐蚀、氢腐蚀有些钢在大于200度高温高压氢气中长期使用，能产生很多气泡或裂纹。在高温高压下氢扩散进入试样内部并和钢中Fe3C反应生成CH4，因为CH4分子在-Fe中不能通过扩散而，故它们就在晶界的夹杂上形成CH4气泡。工程材料的失效分析甲烷气泡及晶界氢腐蚀裂纹形成示意图甲烷气泡及晶界氢腐蚀裂纹形成示意图夹杂