進入雙相不銹鋼中的氫在與材料中的殘余應力或外加應力的協同作用下,會給金屬的性能造成一定的損傷,即所謂的氫損傷。這種傷害可以是暫時的,即在氫逸出鋼材后,受損傷的性能可以恢復;損傷也可以是永久的,即對性能的損傷是不可逆的,在氫離開金屬后性能仍不可恢復。1976年,Hirth 和 Johnson在大量研究的基礎上把氫損傷分為七類,即氫脆(HE)、氫蝕(HA)、氫鼓泡(blistering)、發紋或白點(shatter cracks、fisheyes)、顯微穿孔(microperforation)、流變性能退化和形成金屬氫化物(hydride).其中,氫脆是最常見的一類,它又可以分為氫應力開裂、氫環境脆化和拉伸延性喪失三種。
雙相不(bu)銹(xiu)鋼的脆(cui)可分為兩類(lei):第一類(lei)氫(qing)脆(cui)的敏感(gan)性(xing)(xing)隨形變速(su)(su)度(du)的提高而(er)增加,第二類(lei)氫(qing)脆(cui)的敏感(gan)性(xing)(xing)隨形變速(su)(su)度(du)的提高而(er)降低。兩類(lei)氫(qing)脆(cui)的主要(yao)差別是前(qian)者(zhe)(zhe)在材料加載荷前(qian)已經(jing)存在氫(qing)脆(cui)源,后者(zhe)(zhe)在加載荷之(zhi)前(qian)并不(bu)存在氫(qing)脆(cui)源,而(er)是由于氫(qing)與(yu)應力(li)產生交互作用后才形成的。
第(di)一(yi)類(lei)氫脆表(biao)現有以下三種(zhong)情(qing)況:
1. 氫蝕(shi)(Hydrogen Attack)
主(zhu)要表現(xian)在石油高(gao)壓加(jia)氫及液化石油氣的(de)設(she)備中。其(qi)作用機理(li)是在300~500℃溫(wen)度范圍內,由于高(gao)壓氫與雙相不銹(xiu)鋼中碳作用在晶界上(shang)生成高(gao)壓CH4而使材料脆化。
2. 白點
在(zai)(zai)(zai)重軌鋼(gang)及(ji)大截面(mian)(mian)鍛(duan)件中(zhong)易(yi)出(chu)(chu)現這(zhe)類(lei)氫脆(cui)。這(zhe)是由于鋼(gang)在(zai)(zai)(zai)冷凝過程中(zhong)氫溶(rong)解度(du)降低而析出(chu)(chu)大量氫分(fen)子。它(ta)們在(zai)(zai)(zai)鍛(duan)造或軋(ya)制過程中(zhong)形(xing)成高(gao)壓氫氣泡,在(zai)(zai)(zai)較快速度(du)冷卻時氫來不及(ji)擴散到表面(mian)(mian)逸出(chu)(chu),于是在(zai)(zai)(zai)高(gao)壓氫分(fen)子和應力(li)(熱(re)應力(li)或組織(zhi)應力(li))的共同作用下造成白點等缺陷。采(cai)用緩冷或在(zai)(zai)(zai)鋼(gang)中(zhong)加入稀土、V、Ti等元素可減輕這(zhe)類(lei)氫脆(cui)。
3. 氫(qing)化物氫(qing)脆
由于IVB族(Ti、Zr、Hf)和VB族(V、Nb、Ta)金屬極(ji)易生成氫化(hua)物,而導致脆性。因為氫化(hua)物是(shi)一種(zhong)脆性相,它與基(ji)體存(cun)在(zai)較弱的結(jie)合力,且二者間的彈性和塑性均不同,因此在(zai)應力作用下形成脆斷。
第二類(lei)氫脆(可逆性氫脆)
是(shi)近年來最活(huo)躍的(de)研(yan)究領域。這是(shi)由靜載荷持久實驗所產生的(de)脆斷(duan)。含(han)氫材料(liao)(liao)在(zai)(zai)持續應(ying)力(li)作用下,經過一定孕育期(qi)后形成(cheng)裂(lie)(lie)紋,存在(zai)(zai)一個亞臨(lin)界(jie)裂(lie)(lie)紋的(de)擴展階段,當外界(jie)應(ying)力(li)低(di)于某一極限(xian)值時,材料(liao)(liao)將長期(qi)不斷(duan)裂(lie)(lie),此(ci)極限(xian)值與疲勞極限(xian)十分相(xiang)似。
可逆性氫脆(滯后破壞)的發生與金屬的晶體結構無關。其共同特征是:只在一定溫度范圍內發生(100~100℃);氫脆敏感性與形變速度有關,形變速度越大,敏感性越小,當超過某一臨界速度,則氫脆完全消失,氫脆斷口平滑,多數是沿晶斷裂。可逆性氫脆可以在含氫的材料中發生(內部氫脆),也可在含氫介質中發生(環境氫脆),二者實驗條件不同,但表現出的氫脆特征是相同的。環境氫脆內容十分廣泛,環境介質除H2、H2S、H2O外,還有各種碳氫化合物及各種水溶液。因此,廣義的環境氫脆包括各種水溶液的應力腐蝕。氫對金屬機械性質最重要而普遍存在的是氫脆,這意味著金屬中充入一些氫后對負載-時間函數關系上引起機械失效所需功的減小。這種減少可表現為拉伸(應變)限度的減小而引起失效、金屬可承受的靜負載量的減少、負載-非負載循環次數的減少或表現為破裂傳播速率的增加。重要的是要認識到氫的這種效應依賴于下列復雜并相互作用的方式,對于給定的合金組分,這些因素有純凈度、雜質分布、微結構和相分布、以前的機械歷史(如形變的程度和種類)、表面化學和幾何學(如凹坑)等。對某些金屬(如高強度鋼)不足百萬分之一的氫含量就足以引發災難性的氫脆。而對另一些金屬(如Nb、Ta),嚴重的氫脆在氫濃度足夠高到形成氫化物時才會發生。