氢脆的产生可归结为裂纹源缺陷(如晶界、共格及非共格沉淀,位错缠结,微孔等)所捕获的氢量C T 与引起此类缺陷开裂的临界氢浓度C cr 之间的关系。当C T <C cr 时,材料不会开裂;当C T =C cr 时,开始氢裂,C T >C cr 时,裂纹扩展。减小氢脆敏感性的途径在于提高C cr 和降低C T ,因此凡是可以提高C cr 和降低C T 的措施均可以减轻氢脆的敏感性。
1.降低C T 的途径
要降低C T ,必须减少内氢和限制外氢进入金属。
(1)减少内氢。改进冶炼、热处理、焊接、电镀、酸洗等工艺条件可以减少内氢,也可对含氢材料进行脱氢处理。为降低C T ,可通过添加陷阱使氢浓度均匀,以降低局部氢浓度。但这些陷阱必须本身具有较高的C cr ,否则会在这些地方首先引发裂纹。其次添加陷阱数量要足够多,且具有不可逆陷阱的作用,而且均匀分布在金属基体中。能满足这些条件的陷阱很多。例如,原子级尺寸的陷阱(以溶质原子形式存在)有Sc、In、Ca、Ta、K、Nd等,碳化物和氮化物形成元素(以化合物形式存在)如Ti、V、Zr、Nb、Al、B、Th等。但应注意,加入这些元素还应综合考虑对材料其他性能的影响。
(2)限制外氢进入金属。这主要从建立障碍和降低外氢的活性入手。利用物理、化学、电化学、冶金等方法在基体上施以镀层,此镀层应具有低的氢扩散性和溶解度,从而构成氢进入金属的直接障碍。例如,Cu、W等金属覆盖层,或经表面热处理而生成的致密的氧化膜。有时可涂覆有机涂料或衬上橡皮或塑料材料,防止金属与氢或致氢介质接触,起到隔离作用。
2.提高C cr 的途径
提高C cr 主要通过控制材料的组织来实现。
1)晶界
通过改进熔炼及热处理,减少杂质含量,消除偏析,对提高晶界的C cr 是有益的。细化晶粒使晶界表面积增大,细晶界较为致密,结合力强,可提高C cr 。
2)控制夹杂物及碳化物
控制有害夹杂物(如硫化物、氧化物)以及碳化物的类型、数量、形状、尺寸和分布可以提高C cr 。例如,球状MnS夹杂较带状夹杂的C cr 高。
3)位错
位错是一种特殊的陷阱。可动位错能够在塑性变形情况下载氢运动,与第二相质点相遇造成该处氢过饱和,是不利的。适当的变形、表面处理造成高密度静位错,虽然位错密度增加,但它们可以分摊氢原子,降低C T 。
4)显微组织
一般认为,热力学稳定性高的组织发生氢脆敏感性小,如奥氏体不锈钢较铁素体不锈钢结构更耐氢脆,可能与奥氏体结构中氢的溶解度较高、扩散系数较低、C cr 较高有关。
除提高C cr 和降低C T 外,降低和消除应力也非常重要,因为在应力存在下,氢发生应力诱导扩散,向三向拉应力区富集。设计时应避免或减小局部应力集中。在加工、制造、装配中尽量避免产生较大的残余应力,或者采用退火等方法消除残余应力。