先來(lái)看幾個(gè)事故案例——
第二次世界大戰初期，英國(guó)皇家空軍一架Spitpie戰鬥機(jī)由於引擎主軸斷裂而墜落，機(jī)毀人亡，此事曾震驚英國(guó)朝野。
1975年美國(guó)芝加哥一家煉油廠(chǎng)，因一根15cm的不鏽鋼管突然破裂，引起爆炸和火災，造成長(zhǎng)期停產(chǎn)。
法國(guó)在開(kāi)採克拉克氣田時(shí)，由於管道破裂，造成持續(xù)一個(gè)月的大火。
我國(guó)在開(kāi)發(fā)某大油田時(shí)，也曾因管道破裂發(fā)生過(guò)井噴，損失慘重。
美國(guó)“北極星”飛彈因固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼破裂而不能發(fā)射，美空軍F-11戰鬥機(jī)在空中突然墜毀等。
途中行駛的汽車(chē)因傳動(dòng)軸突然斷裂而翻車(chē)，正在工具機(jī)上切削的刀具突然斷裂等事故枚不勝舉。
這些災難性的惡性事故，瞬時(shí)發(fā)生，事先毫無(wú)徵兆，斷裂無(wú)商量，嚴(yán)重地威脅著人們生產(chǎn)財產(chǎn)安全。起初科學(xué)工作者們對(duì)出事原因，眾說(shuō)紛紜，一籌莫展。後來(lái)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀(guān)察和研究，終於探明這一系列的惡性事故的罪魁禍首——氫脆。
揭開(kāi)氫脆斷裂之迷
氫脆通常表現(xiàn)為鋼材的塑性顯著下降，脆性急劇增加，並在靜載荷下（往往低於材料的σb）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間後發(fā)生破裂破壞的趨勢(shì)。眾所周知，氫在鋼中有一定的溶解度。
煉鋼過(guò)程中，鋼液凝固後，微量的氫還會(huì)留在鋼中。通常生產(chǎn)的鋼，其含氫量在一個(gè)很小的範圍內(nèi)。氫在鋼中的溶解度隨溫度下降而迅速降低，過(guò)飽和的氫將要析出。
氫是在鋼鐵中擴散速度最快的元素，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)，位於鋼件中心部分的氫來(lái)不及逸出，過(guò)剩的氫將進(jìn)入鋼的一些缺陷中去，如枝晶間隙、氣孔內(nèi)。若缺陷附近由於氫的聚集會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓而導(dǎo)致微裂紋的萌生與擴展。這是由於缺陷吸附了氫原子之後，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。
一般來(lái)說(shuō)，鋼的氫脆發(fā)生在-50℃~100℃之間。溫度過(guò)低時(shí)，氫的擴散速度太慢，聚集少不會(huì)析出；高溫時(shí)氫將被“烤”出鋼外，氫脆破壞也不大會(huì)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(guān)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，裂紋的擴展也伴隨著塑性流變。
▲緊固件上出現(xiàn)的氫致裂紋
影響鋼氫脆斷裂的因素
人們經(jīng)長(zhǎng)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：
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(guò)吸附在鋼鐵表而擴散，造成鋼變脆。同時(shí)氫分壓對(duì)氫裂紋擴展速度有明顯的影響，提高氫氣壓力會(huì)增加氫脆敏感性。
強(qiáng)度因素
一般來(lái)說(shuō)，鋼的強(qiáng)度越高，氫脆敏感性越大。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)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(guò)強(qiáng)度來(lái)影響鋼的氫脆斷裂，這是因為氫和S、P等原子偏析於晶界會(huì)引起晶界結(jié)合力減弱，從而促使沿晶界首先斷裂。
熱處理
業(yè)已查明，鋼的氫脆與其顯微組織和熱處理有密切的關(guān)係，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)低於馬氏體，而且網(wǎng)狀分布的高碳馬氏體最敏感。
熱處理防氫脆措施
在熱處理產(chǎn)業(yè)鏈上，多道工序需要酸洗，如淬火後回火前的酸洗、回火後噴砂前酸洗、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(zhǎng)、成本高、能耗大、汙染嚴(yán)重、勞動(dòng)條件差等，更為可怕的是對(duì)鋼材內(nèi)在質(zhì)量產(chǎn)生很大的危害——氫脆。為此，改進(jìn)酸洗工藝，採取防滲氫措施，已成為幾代人關(guān)注的問(wèn)題。
酸洗工藝的改進(jìn)
鋼鐵表面的鏽蝕主要是鐵的氧化物和氫氧化物等，清除這些鏽蝕主要是酸類(lèi)組分藉助表面活性劑等的協(xié)同作用來(lái)完成的，其作用過(guò)程大致是溶解和剝落。為了克服常規(guī)酸洗帶來(lái)的缺陷，可作如下改進(jìn)。
首先，降低酸濃度。一般鋼鐵件採用30%~35%HC1（質(zhì)量分數(shù)），除去氧化皮的速度快，但耗量大，酸霧重，對(duì)基體的過(guò)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(duì)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(huì)效益。該工藝利用氧化皮的多孔性，在潤(rùn)溼劑的作用下使酸液迅速滲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。由於氧化物在稀酸中的反應(yīng)緩慢，尿素等緩蝕劑對(duì)裸露基體的吸附力強(qiáng)，防止了過(guò)腐蝕，降低了酸的無(wú)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鏽，但兩(liǎng)者的性能各異，若將鹽酸與硫酸按適當(dāng)比例配製成混合液，能兼有兩(liǎng)者的功能，既能提高除鏽速度，又降低了操作溫度。
再次，採用多功能的高效除油除鏽劑。近年來(lái)出現(xiàn)了“二合一”等多種除油除鏽劑和快速除鏽劑應(yīng)用較普遍，這是鋼鐵酸洗工藝的一大進(jìn)步。
最後，採用特殊的酸洗工藝。針對(duì)不同工件的形狀、用途、熱處理狀態(tài)採取不同的酸洗工藝，就是說(shuō)酸洗工藝也應(yīng)該個(gè)性化。
防止氫脆的措施
酸洗過(guò)程的滲氫是一個(gè)相當(dāng)複雜的過(guò)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)部的並、串聯(lián)步驟，還涉及到應(yīng)力腐蝕的深層次問(wèn)題。研究表明，在酸洗條件下，直接進(jìn)行滲氫的電化學(xué)測(cè)量是研究酸洗過(guò)程滲氫行為的可行方法。為減輕鋼鐵件滲氫程度，可採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)係不太大，但與酸洗溫度成正比，與酸洗時(shí)間的平方根成正比，建議採用酸液濃度較高、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(wèn)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(wèn)題。應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(kāi)裂的過(guò)程。經(jīng)過(guò)校直的淬火件，不管是正擊還是反擊，凡經(jīng)校直過(guò)的工件一定先去應(yīng)力再酸洗，否定氫脆致裂或變脆的機(jī)率相當(dāng)大，很多單位都有深刻的教訓(xùn)，但並沒有引起足夠的重視。
第四，防止金屬雜質(zhì)汙染酸洗液。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(huì)促進(jìn)滲氫量增加，加劇氫脆斷裂傾向。
第五，驅氫處理。是凡經(jīng)過(guò)酸洗工件，最好進(jìn)行180~200℃×3~4h驅氫處理。
氫脆試驗(yàn)方法
如果因熱處理或表面處理產(chǎn)生了滲氫，應(yīng)在儘可能短的時(shí)間內(nèi)驅趕，使構(gòu)件不至於因氫脆破壞失效。產(chǎn)生了氫脆也可以通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)定。
以前的航空部為測(cè)氫脆曾制訂過(guò)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)和鑑定抗拉強(qiáng)度≥1275MPa的結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼經(jīng)電鍍和化學(xué)覆蓋工藝處理後的氫脆性能。
方法原理
結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼由於氫和應(yīng)力的作用，在小於屈服強(qiáng)度的靜載荷下持續(xù)一定時(shí)間就會(huì)發(fā)生早期的脆性斷裂。
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)品零件相同的材料製作，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(duì)應(yīng)關(guān)係）。
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，除圖中已註明的尺寸公差外，其他尺寸公差應(yīng)符合國(guó)家形位公差相關(guān)規(guī)定。
第三，試樣的製造。按圖沿材料的順纖維方向加工試樣，粗加工後熱處理至所要求的抗拉強(qiáng)度，然後精加工至規(guī)定尺寸，缺口用中軟細(xì)粒氧化鋁砂輪磨製。磨削時(shí)應(yīng)保證缺口根部半徑圓滑。磨削後投影檢查，確保缺口尺寸符合圖紙要求。逐根測(cè)量缺口根部直徑（圖中為φ4.5±0.05mm）的尺寸，並做好編號(hào)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(kāi)材料回火脆性區(qū)，以保證消除應(yīng)力後的試樣硬度不會(huì)下降。
試驗(yàn)方法
按要求的鍍覆工藝對(duì)試樣進(jìn)行預備處理和鍍覆。帶有鍍層的試樣其缺口的鍍層厚度應(yīng)不小於12~18μm。鍍覆層應(yīng)一次完成，不允許退鍍或重複電鍍。鍍覆後，試樣應(yīng)儘快地（不超過(guò)3h）進(jìn)行除氫。除氫的規(guī)範應(yīng)符合工件或該鋼的鍍覆工藝規(guī)範的規(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。
結(jié)果評(píng)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)間小於200h則認(rèn)為氫脆性能不合格。
來(lái)源： 軋鋼之家
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