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第二次世界大戰(zhàn)初期,，英國皇家空軍一架Spitpie戰(zhàn)斗機(jī)由于引擎主軸斷裂而墜落,，機(jī)毀人亡,，此事曾震驚英國朝野,。1975年美國芝加哥一家煉油廠,，因一根15cm的不銹鋼管突然破裂,，引起爆炸和火災(zāi),，造成長期停產(chǎn),。法國在開采克拉克氣田時(shí)，由于管道破裂,，造成持續(xù)一個(gè)月的大火,。我國在開發(fā)某大油田時(shí)，也曾因管道破裂發(fā)生過井噴,，損失慘重,。在軍事方面還有：美國“北極星”導(dǎo)彈因固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼破裂而不能發(fā)射，美空軍F-11戰(zhàn)斗機(jī)在空中突然墜毀等,。途中行駛的汽車因傳動(dòng)軸突然斷裂而翻車,，正在機(jī)床上切削的刀具突然斷裂等事故枚不勝舉。這些災(zāi)難性的惡性事故,，瞬時(shí)發(fā)生,，事先毫無征兆，斷裂無商量,，嚴(yán)重地威脅著人們生產(chǎn)財(cái)產(chǎn)安全,。起初科學(xué)工作者們對出事原因，眾說紛紜,，一籌莫展,。后來經(jīng)過長期觀察和研究，終于探明這一系列的惡性事故的罪魁禍?zhǔn)住獨(dú)浯唷?/strong>
氫脆通常表現(xiàn)為鋼材的塑性顯著下降,，脆性急劇增加，并在靜載荷下（往往低于材料的σb）經(jīng)過一段時(shí)間后發(fā)生破裂破壞的趨勢。眾所周知,，氫在鋼中有一定的溶解度,。煉鋼過程中，鋼液凝固后,，微量的氫還會留在鋼中,。通常生產(chǎn)的鋼，其含氫量在一個(gè)很小的范圍內(nèi),。氫在鋼中的溶解度隨溫度下降而迅速降低,，過飽和的氫將要析出。
氫是在鋼鐵中擴(kuò)散速度最快的元素,，其原子半徑最小,，在低溫區(qū)仍有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力。如果冷卻時(shí)有足夠的時(shí)間使鋼中的氫逸出表面或鋼中的氫含量較低時(shí),，則氫脆就不易發(fā)生,。如果冷卻速度快，鋼件斷面尺寸比較大或鋼中氫含量較高時(shí),，位于鋼件中心部分的氫來不及逸出,，過剩的氫將進(jìn)入鋼的一些缺陷中去，如枝晶間隙,、氣孔內(nèi),。若缺陷附近由于氫的聚集會產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓而導(dǎo)致微裂紋的萌生與擴(kuò)展。這是由于缺陷吸附了氫原子之后,，使表面能大大降低,，從而導(dǎo)致鋼材破壞所需的臨界應(yīng)力也急劇降低。
▲緊固件上出現(xiàn)的氫致裂紋
一般的說,，鋼的氫脆發(fā)生在室溫附近的-50~100℃之間,。溫度過低時(shí)氫的擴(kuò)散速度太慢，聚集少不會析出,；高溫時(shí)氫將被“烤”出鋼外,，氫脆破壞也不大會發(fā)生。隨著科學(xué)的發(fā)展,，人們又發(fā)現(xiàn)氫脆機(jī)理的新觀點(diǎn)：氫促進(jìn)了裂紋尖端區(qū)塑性變形,，而塑性變形，又促進(jìn)了氫在該區(qū)域內(nèi)濃集,，從而降低了該區(qū)的斷裂應(yīng)力值,，這就促進(jìn)了微裂的產(chǎn)生，裂紋的擴(kuò)展也伴隨著塑性流變,。
人們經(jīng)長期的研究發(fā)現(xiàn)，影響鋼氫脆斷裂的因素主要有如下三方面：
（1）環(huán)境因素
如鋼在含氫量較高的環(huán)境中,，如水,、酸、氫氣中時(shí),，氫通過吸附在鋼鐵表而擴(kuò)散,，造成鋼變脆。同時(shí)氫分壓對氫裂紋擴(kuò)展速度有明顯的影響,，提高氫氣壓力會增加氫脆敏感性,。
（2）強(qiáng)度因素
一般來說，鋼的強(qiáng)度越高,，氫脆敏感性越大,。國外一些發(fā)達(dá)國家明文規(guī)定“高強(qiáng)度鋼不準(zhǔn)酸洗”就是為了防止氫脆。而化學(xué)成分是通過強(qiáng)度來影響鋼的氫脆斷裂,，這是因?yàn)闅浜蚐,、P等原子偏析于晶界會引起晶界結(jié)合力減弱，從而促使沿晶界首先斷裂,。
（3）熱處理
鋼的氫脆與其顯微組織和熱處理有密切的關(guān)系,，實(shí)驗(yàn)和事實(shí)標(biāo)明，該組織在熱力學(xué)上穩(wěn)定性愈差,，則氫脆的敏感性愈大,。例如珠光體、鐵素體組織的氫脆傾向遠(yuǎn)低于馬氏體,，而且網(wǎng)狀分布的高碳馬氏體最敏感,。
在熱處理產(chǎn)業(yè)鏈上,，多道工序需要酸洗,，如淬火后回火前的酸洗、回火后噴砂前酸洗,、蒸汽處理或氧氮化前酸洗,、TiN等表面強(qiáng)化前的酸洗以及電鍍前的酸洗等。酸洗在不同階段其目的是不一樣的,，有的是為了去除氧化皮,，有的是為了提高工件表面活性，有的是為了縮小尺寸等,。傳統(tǒng)的酸洗工藝繁瑣,、流程長、成本高,、能耗大,、污染嚴(yán)重、勞動(dòng)條件差等，更為可怕的是對鋼材內(nèi)在質(zhì)量產(chǎn)生很大的危害——?dú)浯唷?/strong>為此,，改進(jìn)酸洗工藝,，采取防滲氫措施，已成為幾代人關(guān)注的問題,。
（1）酸洗工藝的改進(jìn)
鋼鐵表面的銹蝕主要是鐵的氧化物和氫氧化物等,，清除這些銹蝕主要是酸類組分借助表面活性劑等的協(xié)同作用來完成的，其作用過程大致是溶解和剝落,。為了克服常規(guī)酸洗帶來的缺陷,，可作如下改進(jìn)。
首先,，降低酸濃度,。一般鋼鐵件采用30%~35%HC1（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），除去氧化皮的速度快,，但耗量大,，酸霧重，對基體的過腐蝕也強(qiáng),，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量,。如用低濃度酸洗工藝對降低酸液消耗，改善環(huán)境,，提高工件表面質(zhì)量有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,。該工藝?yán)醚趸さ亩嗫仔裕跐櫇駝┑淖饔孟率顾嵋貉杆贊B透到基體與氧化皮的界面上發(fā)生Fe+2HC1==2FeC12+H2↑化學(xué)反應(yīng),，利用氫氣的機(jī)械剝落作用,，達(dá)到除去氧化皮清潔表面的作用。由于氧化物在稀酸中的反應(yīng)緩慢,，尿素等緩蝕劑對裸露基體的吸附力強(qiáng),，防止了過腐蝕，降低了酸的無用消耗,，同時(shí)亦減輕了工件滲氫數(shù)量,。
其次，利用混合酸液的綜合特性,。生產(chǎn)上常用鹽酸或硫酸液除銹,，但兩者的性能各異，若將鹽酸與硫酸按適當(dāng)比例配制成混合液,，能兼有兩者的功能,，既能提高除銹速度，又降低了操作溫度,。
再次,，采用多功能的高效除油除銹劑,。近年來出現(xiàn)了“二合一”等多種除油除銹劑和快速除銹劑應(yīng)用較普遍，這是鋼鐵酸洗工藝的一大進(jìn)步,。
最后,，采用特殊的酸洗工藝。針對不同工件的形狀,、用途,、熱處理狀態(tài)采取不同的酸洗工藝，就是說酸洗工藝也應(yīng)該個(gè)性化,。
（2）防止氫脆的措施
酸洗過程的滲氫是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，即涉及腐蝕的共軛步驟,，又涉及氫在金屬表吸附和析出的以及浸入金屬內(nèi)部的并,、串聯(lián)步驟，還涉及到應(yīng)力腐蝕的深層次問題,。研究表明,，在酸洗條件下，直接進(jìn)行滲氫的電化學(xué)測量是研究酸洗過程滲氫行為的可行方法,。為減輕鋼鐵件滲氫程度,，可采取如下一些防滲氫措施。
第一,，引入多功能的緩抑制,。多功能的緩抑劑具有緩蝕與抑霧功能，不僅酸洗速度快,，而且阻抑滲氫的功能較強(qiáng),，緩蝕率高。
第二,，控制酸洗條件,。鋼鐵在酸洗液中的滲氫量與酸度關(guān)系不太大，但與酸洗溫度成正比,，與酸洗時(shí)間的平方根成正比,，建議采用酸液濃度較高、酸洗時(shí)間很短的酸洗方法,。高速鋼淬火件等高強(qiáng)度鋼酸洗更要注意這個(gè)問題,。具體生產(chǎn)單位，應(yīng)制訂嚴(yán)謹(jǐn)工藝,，控制好酸的濃度,、酸液溫度、酸洗時(shí)間三大要素,。
第三,，關(guān)注應(yīng)力腐蝕問題,。應(yīng)力腐蝕開裂是指工件在受到靜載拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下，導(dǎo)致材料發(fā)生脆性開裂的過程,。經(jīng)過校直的淬火件,，不管是正擊還是反擊，凡經(jīng)校直過的工件一定先去應(yīng)力再酸洗,，否定氫脆致裂或變脆的幾率相當(dāng)大,，很多單位都有深刻的教訓(xùn)，但并沒有引起足夠的重視,。
第四,，防止金屬雜質(zhì)污染酸洗液。業(yè)已查明,，當(dāng)酸洗液中含有P,、As、Sn,、Hg,、Pb、Zn,、Cd等金屬雜質(zhì)時(shí),，會促進(jìn)滲氫量增加，加劇氫脆斷裂傾向,。
第五,，驅(qū)氫處理。是凡經(jīng)過酸洗工件,，最好進(jìn)行180~200℃×3~4h驅(qū)氫處理,。
如果因熱處理或表面處理產(chǎn)生了滲氫,，應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)驅(qū)趕,，使構(gòu)件不至于因氫脆破壞失效。產(chǎn)生了氫脆也可以通過試驗(yàn)方法測定,。
以前的航空部為測氫脆曾制訂過標(biāo)準(zhǔn)（HB5067）可供參考,。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用延遲破壞的方法，試驗(yàn)和鑒定抗拉強(qiáng)度≥1275MPa的結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼經(jīng)電鍍和化學(xué)覆蓋工藝處理后的氫脆性能,。
（1）方法原理
結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼由于氫和應(yīng)力的作用,，在小于屈服強(qiáng)度的靜載荷下持續(xù)一定時(shí)間就會發(fā)生早期的脆性斷裂。
（2）氫脆試樣的技術(shù)要求
主要有四點(diǎn)：
第一,，試樣材料,。應(yīng)用與產(chǎn)品零件相同的材料制作，熱處理至抗拉強(qiáng)度的上限（硬度與抗拉強(qiáng)度有一定的對應(yīng)關(guān)系）,。
第二,，試樣的形狀和尺寸,。延遲破壞的試樣形狀和尺寸應(yīng)符合下圖的規(guī)定，除圖中已注明的尺寸公差外,，其他尺寸公差應(yīng)符合國家形位公差相關(guān)規(guī)定,。
第三，試樣的制造,。按圖沿材料的順纖維方向加工試樣,，粗加工后熱處理至所要求的抗拉強(qiáng)度，然后精加工至規(guī)定尺寸,，缺口用中軟細(xì)粒氧化鋁砂輪磨制,。磨削時(shí)應(yīng)保證缺口根部半徑圓滑。磨削后投影檢查,，確保缺口尺寸符合圖紙要求,。逐根測量缺口根部直徑（圖中為φ4.5±0.05mm）的尺寸，并做好編號記錄,。
缺口示意
第四，試樣在鍍蓋前都應(yīng)消除磨削應(yīng)力,，消除應(yīng)力的最高溫度應(yīng)比該工件的回火溫度低10~20℃,，同時(shí)要避開材料回火脆性區(qū)，以保證消除應(yīng)力后的試樣硬度不會下降,。
（3）試驗(yàn)方法
按要求的鍍覆工藝對試樣進(jìn)行預(yù)備處理和鍍覆,。帶有鍍層的試樣其缺口的鍍層厚度應(yīng)不小于12~18μm。鍍覆層應(yīng)一次完成,，不允許退鍍或重復(fù)電鍍,。鍍覆后，試樣應(yīng)盡快地（不超過3h）進(jìn)行除氫,。除氫的規(guī)范應(yīng)符合工件或該鋼的鍍覆工藝規(guī)范的規(guī)定,。
延遲破壞試樣根據(jù)總載荷可在適當(dāng)噸位的持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。加載時(shí)按鍍覆前缺口根部尺寸計(jì)算試樣的截面積,。試樣承受的靜載荷數(shù)為未鍍覆試樣的缺口抗拉強(qiáng)度的75%,，記錄斷裂時(shí)間。
未鍍覆試樣的缺口抗拉強(qiáng)度應(yīng)是3~5個(gè)試樣的平均值,。
（4）結(jié)果評定
用6根平等的試樣進(jìn)行延時(shí)破壞試驗(yàn),，在規(guī)定的載荷下200h都不破斷，則認(rèn)為該鋼經(jīng)此鍍覆工藝氫脆性能合格,。如果有一個(gè)試樣破斷時(shí)間小于200h則認(rèn)為氫脆性能不合格,。
End
來源：熱處理生態(tài)圈（ID：heat-news）、國際金屬在線制作
