平(ping)時(shi)講(jiang)的氫(qing)脆為由內氫(qing)或者外氫(qing)導致而形成的可逆(ni)氫(qing)脆,其主要特點(dian)如下:
1. 應(ying)變速度(du)低氫脆(cui)(cui)敏感(gan)性強,形變速度(du)的增高(gao)導(dao)致(zhi)氫脆(cui)(cui)發(fa)生(sheng)的溫度(du)范(fan)疇變窄、塑性減(jian)小、幅度(du)變低,即(ji)氫脆(cui)(cui)不容易發(fa)生(sheng)。此外,如果應(ying)變速度(du)高(gao)于某臨界值,則氫脆(cui)(cui)不會發(fa)生(sheng)。
2. 氫脆(cui)(cui)對高強度(du)鋼較(jiao)敏感,這是(shi)由于高強度(du)鋼在熱(re)力學上比較(jiao)不穩定,容易發生(sheng)脆(cui)(cui)化,氫脆(cui)(cui)的(de)敏感性隨(sui)著材(cai)料屈服極限值(zhi)的(de)升高而升高。
3. 氫(qing)脆對含氫(qing)量較(jiao)敏(min)感,鋼(gang)的氫(qing)脆臨(lin)界應力值隨著(zhu)氫(qing)濃度的增加而(er)下降(jiang),同時鋼(gang)發生氫(qing)脆的孕育(yu)期和(he)破(po)壞時間(jian)均隨著(zhu)氫(qing)濃度的升高而(er)縮短。
4. 氫(qing)(qing)脆的(de)產生是(shi)在(zai)(zai)某(mou)個應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)范圍之(zhi)內的(de),即氫(qing)(qing)脆的(de)產生存在(zai)(zai)一(yi)個上、下臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)值(zhi),其為一(yi)種延遲破(po)壞。只(zhi)有當應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)在(zai)(zai)上、下臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)值(zhi)之(zhi)間時(shi)(shi)延遲破(po)壞才會發生,其發生主要有三個階段,分別為孕育期、裂紋在(zai)(zai)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)作用下長大及失穩斷裂。而應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)低于下臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)值(zhi)時(shi)(shi)不(bu)管時(shi)(shi)間多久都(dou)不(bu)會出現(xian)(xian)脆斷現(xian)(xian)象;當應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)高于上臨(lin)界應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)值(zhi)時(shi)(shi)就能(neng)夠出現(xian)(xian)瞬時(shi)(shi)脆斷的(de)現(xian)(xian)象。
5. 溫度(du)越高(gao)氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)敏(min)感性越低(di),即氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)具(ju)有低(di)脆(cui)性溫度(du)特(te)征。此外,氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)的(de)裂紋擴展具(ju)有不連續的(de)特(te)征,很少出現分支(zhi)并(bing)且通常情況下很少在(zai)材料的(de)表(biao)面形成裂紋源。
在(zai)應(ying)(ying)力影響下,氫(qing)(qing)能夠在(zai)裂(lie)紋尖端的三向應(ying)(ying)力區(qu)富集,導致(zhi)材(cai)料斷裂(lie)應(ying)(ying)力減小(xiao)從而造成脆(cui)性斷裂(lie)。現階(jie)段較為流行的氫(qing)(qing)脆(cui)機制如下:
1. 氫(qing)壓理論
氫壓(ya)(ya)理論指出一些(xie)過(guo)飽和的(de)(de)氧(yang)在(zai)金(jin)屬(shu)中的(de)(de)一些(xie)缺(que)陷位置(如孔隙,晶界)析出,并且H結合(he)成(cheng)H2能夠在(zai)金(jin)屬(shu)的(de)(de)這些(xie)缺(que)陷處(chu)形成(cheng)比較(jiao)大的(de)(de)內(nei)壓(ya)(ya)力,該內(nei)壓(ya)(ya)力跟(gen)外外應力或者金(jin)屬(shu)內(nei)部的(de)(de)殘(can)余應力形成(cheng)合(he)力,當(dang)金(jin)屬(shu)的(de)(de)屈服極(ji)限低于這個合(he)力時,斷裂就會發生、即氫在(zai)金(jin)屬(shu)材(cai)料缺(que)陷處(chu)所形成(cheng)的(de)(de)內(nei)壓(ya)(ya)力跟(gen)外應力促進(jin)了裂紋的(de)(de)形成(cheng)和發展,
2. 吸附氫降低表面能理(li)論
氫(qing)(qing)(qing)(qing)吸(xi)附(fu)在裂(lie)(lie)紋(wen)尖端時能(neng)(neng)夠導致金屬表面(mian)能(neng)(neng)減(jian)小,進面(mian)造成(cheng)金屬的斷裂(lie)(lie)應力減(jian)小,吸(xi)附(fu)氫(qing)(qing)(qing)(qing)降(jiang)低表面(mian)能(neng)(neng)理論可以(yi)被用(yong)(yong)來(lai)很好地詮釋(shi)應變速率對(dui)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆的作用(yong)(yong),闡(chan)明氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆發生孕育期(qi)的存在及(ji)在較低的氫(qing)(qing)(qing)(qing)分壓條件下(xia)實驗過程中出現(xian)(xian)脆斷現(xian)(xian)象等。但是(shi)吸(xi)附(fu)氫(qing)(qing)(qing)(qing)降(jiang)低表面(mian)能(neng)(neng)理論不(bu)可以(yi)用(yong)(yong)來(lai)解(jie)釋(shi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆可逆性(xing)的特點,以(yi)及(ji)不(bu)可以(yi)解(jie)釋(shi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)脆裂(lie)(lie)紋(wen)擴展具有不(bu)連續特征等。
3. 弱鍵理論
氫(qing)在(zai)應(ying)力(li)的(de)(de)(de)作用下會在(zai)材料缺口或(huo)者裂(lie)紋尖端的(de)(de)(de)三向應(ying)力(li)區聚(ju)集(ji),進(jin)而(er)導(dao)(dao)致該(gai)處金(jin)(jin)屬原(yuan)(yuan)子鍵(jian)(jian)的(de)(de)(de)結合(he)(he)能(neng)降低,金(jin)(jin)屬在(zai)較小的(de)(de)(de)應(ying)力(li)作用下就(jiu)會發(fa)生脆性斷裂(lie)。氫(qing)能(neng)夠減(jian)弱(ruo)原(yuan)(yuan)子鍵(jian)(jian)結合(he)(he)能(neng)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)因在(zai)于氫(qing)的(de)(de)(de)1S電子進(jin)人(ren)到(dao)了過(guo)渡族金(jin)(jin)屬元素(su)沒(mei)有填滿的(de)(de)(de)3d帶(dai)(dai),使得金(jin)(jin)屬3d帶(dai)(dai)電子的(de)(de)(de)密集(ji)度增強,提高了金(jin)(jin)屬原(yuan)(yuan)子之間的(de)(de)(de)排斥力(li)、減(jian)弱(ruo)了其鍵(jian)(jian)力(li),進(jin)而(er)導(dao)(dao)致了金(jin)(jin)屬的(de)(de)(de)脆化(hua)。但是非(fei)過(guo)渡族由于金(jin)(jin)屬元素(su)不存(cun)在(zai)3d帶(dai)(dai),因而(er)該(gai)理論的(de)(de)(de)缺陷(xian)在(zai)于無法(fa)解釋非(fei)過(guo)渡族金(jin)(jin)屬合(he)(he)金(jin)(jin),例如,鋁合(he)(he)金(jin)(jin)、鎂合(he)(he)金(jin)(jin)等(deng)的(de)(de)(de)可逆性氫(qing)脆。
4. 氫(qing)氣團釘扎理(li)論
氫氣(qi)(qi)團(tuan)釘扎理(li)論(lun)(lun)指(zhi)出氫脆的(de)(de)(de)(de)發生(sheng)是由(you)于(yu)(yu)(yu)位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)的(de)(de)(de)(de)移動(dong)受到氫的(de)(de)(de)(de)釘扎作用導(dao)致的(de)(de)(de)(de),同時(shi)氫與(yu)位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)互相(xiang)作用理(li)論(lun)(lun)指(zhi)出氫脆僅存在于(yu)(yu)(yu)在特定的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)及(ji)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)范疇之(zhi)內。當溫(wen)度(du)(du)處于(yu)(yu)(yu)小(xiao)于(yu)(yu)(yu)臨界溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件下(xia),Cottrell氣(qi)(qi)團(tuan)能(neng)(neng)(neng)夠(gou)在含氫金屬的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)過程中(zhong)產(chan)(chan)生(sheng)。氫原子的(de)(de)(de)(de)擴散在溫(wen)度(du)(du)不太低但(dan)是形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)速(su)度(du)(du)較(jiao)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件下(xia)能(neng)(neng)(neng)夠(gou)與(yu)位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)運(yun)動(dong)速(su)度(du)(du)相(xiang)適(shi)合,即Cottrell氣(qi)(qi)團(tuan)在落(luo)后于(yu)(yu)(yu)位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)一定距離的(de)(de)(de)(de)情況下(xia)伴隨著位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)運(yun)動(dong)而運(yun)動(dong),即導(dao)致位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)不能(neng)(neng)(neng)自由(you)運(yun)動(dong),該種(zhong)情形(xing)(xing)被稱為氫對位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)移動(dong)產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)釘扎效應。該種(zhong)效應能(neng)(neng)(neng)夠(gou)導(dao)致材料發生(sheng)局部硬化的(de)(de)(de)(de)現(xian)象,新位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)在外(wai)力的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)下(xia)連續產(chan)(chan)生(sheng),當新位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)跟 Cottrell氣(qi)(qi)團(tuan)在移動(dong)過程中(zhong)碰到例如(ru)晶(jing)界等障礙時(shi),就會(hui)(hui)在障礙處產(chan)(chan)生(sheng)氫氣(qi)(qi)集結及(ji)位(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)錯(cuo)(cuo)塞積(ji),在應力足夠(gou)大的(de)(de)(de)(de)狀況下(xia)就會(hui)(hui)形(xing)(xing)成裂紋(wen),并且會(hui)(hui)自此擴展以及(ji)長大。