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(shuang)相不銹鋼的脆(cui)可分為兩類(lei)(lei):第(di)一類(lei)(lei)氫(qing)脆(cui)的敏感性隨形(xing)變(bian)(bian)速度的提(ti)高而增加(jia)(jia),第(di)二類(lei)(lei)氫(qing)脆(cui)的敏感性隨形(xing)變(bian)(bian)速度的提(ti)高而降(jiang)低。兩類(lei)(lei)氫(qing)脆(cui)的主要差(cha)別是前(qian)者在(zai)(zai)材(cai)料(liao)加(jia)(jia)載(zai)荷前(qian)已(yi)經存在(zai)(zai)氫(qing)脆(cui)源,后者在(zai)(zai)加(jia)(jia)載(zai)荷之前(qian)并不存在(zai)(zai)氫(qing)脆(cui)源,而是由(you)于氫(qing)與應力產生(sheng)交互作用后才形(xing)成的。
第一類(lei)氫(qing)脆表(biao)現有以下三種情況:
1. 氫蝕(shi)(Hydrogen Attack)
主要表現在石油高壓(ya)加(jia)氫(qing)及液(ye)化(hua)石油氣的設備中。其作用(yong)機理是在300~500℃溫(wen)度范圍內(nei),由于高壓(ya)氫(qing)與雙相(xiang)不銹(xiu)鋼中碳作用(yong)在晶界(jie)上(shang)生成高壓(ya)CH4而使材料脆化(hua)。
2. 白點
在(zai)(zai)重軌鋼及大截面鍛件中(zhong)易出現(xian)這類氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)。這是由于(yu)(yu)鋼在(zai)(zai)冷凝過(guo)程中(zhong)氫(qing)(qing)(qing)溶解度(du)降低而析出大量氫(qing)(qing)(qing)分子(zi)。它們在(zai)(zai)鍛造或(huo)(huo)軋制過(guo)程中(zhong)形成(cheng)高壓(ya)氫(qing)(qing)(qing)氣(qi)泡(pao),在(zai)(zai)較快速度(du)冷卻時氫(qing)(qing)(qing)來(lai)不及擴散到表面逸出,于(yu)(yu)是在(zai)(zai)高壓(ya)氫(qing)(qing)(qing)分子(zi)和應力(li)(熱應力(li)或(huo)(huo)組織(zhi)應力(li))的共同作用下造成(cheng)白點等缺陷。采用緩冷或(huo)(huo)在(zai)(zai)鋼中(zhong)加(jia)入稀土、V、Ti等元素可(ke)減(jian)輕這類氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)。
3. 氫化物氫脆(cui)
由(you)于IVB族(zu)(Ti、Zr、Hf)和(he)VB族(zu)(V、Nb、Ta)金屬(shu)極易生成氫化(hua)(hua)物,而(er)導致脆性(xing)。因(yin)為氫化(hua)(hua)物是一種(zhong)脆性(xing)相(xiang),它(ta)與基體存在較(jiao)弱的(de)結合力,且二者間的(de)彈性(xing)和(he)塑性(xing)均不同,因(yin)此在應(ying)力作用(yong)下形(xing)成脆斷(duan)。
第二類氫脆(可逆(ni)性氫脆)
是近年來最活躍(yue)的研究領域。這是由靜載荷(he)持久實驗所(suo)產(chan)生(sheng)的脆(cui)斷。含氫材料在持續應力作用下,經過一(yi)(yi)定孕育期后形(xing)成裂紋(wen),存在一(yi)(yi)個亞臨界裂紋(wen)的擴展階段,當外界應力低于某一(yi)(yi)極(ji)限值時,材料將(jiang)長期不斷裂,此極(ji)限值與疲勞極(ji)限十分相(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。