氫脆

氫脆（英語：hydrogen embrittlement）是指金屬材料在冶煉、加工、熱處理、酸洗和電鍍等過程中，或在含氫介質中長期使用時，材料由於吸氫或氫滲而造成機械性能嚴重退化，發生脆斷的現象．

氫脆

人們不僅在普通的鋼材中發現氫脆現象，在不鏽鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金和鋯合金中也都有此現象．

從機械性能上看，氫脆有以下表現：氫對金屬材料的降伏強度和極限強度影響不大，但使延伸率是斷面收縮率嚴重下降，疲勞壽命明顯縮短，衝擊韌性值顯著降低。在低於斷裂強度拉伸應力的持續作用下，材料經過一段時期後會突然脆斷。

氫脆的機理

氫脆的機理學術界還有爭議，但大多數學者認為以下幾種效應是氫脆發生的主要原因：

• 在金屬凝固的過程中，溶入其中的氫沒能及時釋放出來，向金屬中缺陷附近擴散，到室溫時原子氫在缺陷處結合成分子氫並不斷聚集，從而產生巨大的內壓力，使金屬發生裂紋．
• 在石油工業的加氫裂解爐里，工作溫度為300-500度，氫氣壓力高達幾十個到上百個大氣壓力，這時氫可滲入鋼中與碳發生化學反應生成甲烷． 甲烷氣泡可在鋼中夾雜物或晶界等場所成核，長大，並產生高壓導致鋼材損傷．
• 在應力作用下，固溶在金屬中的氫也可能引起氫脆．金屬中的原子是按一定的規則周期性地排列起來的，稱為晶格．氫原子一般處於金屬原子之間的空隙中，晶格中發生原子錯排的局部地方稱為差排，氫原子易於聚集在差排附近．金屬材料所外力作用時，材料內部的應力分布是不均勻的，在材料外形迅速過渡區域或在材料內部缺陷和微裂紋處會發生應力集中．在應力梯度作用下氫原子在晶格內擴散或跟隨位錯運動向應力集中區域．由於氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結合力變弱，這樣在高氫區會萌生出裂紋並擴展，導致了脆斷． 另外，由於氫在應力集中區富集促進了該區域塑性變形，從而產生裂紋並擴展． 還有，在晶體中存在着很多的微裂紋，氫向裂紋聚集時有吸附在裂紋表面，使表面能降低，因此裂紋容易擴展．
• 某些金屬與氫有較大的親和力，過飽和氫與這種金屬原子易結合生成氫化物，或在外力作用下應力集中區聚集的高濃度的氫與該種金屬原子結合生成氫化物．氫化物是一種脆性相組織，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導致脆性斷裂．

電鍍系統的氫脆現象

在電鍍體系中，被鍍金屬離子在陰極上得到電子，氫離子也同樣會得到電子，生成原子態的氫，滲透到金屬鍍層內部，使鍍層產生疏鬆，當擱置一段時間後，原子態的氫會結合生成氫氣而體積膨脹，這樣就導致鍍層產生針孔、鼓泡甚至脫落等不良缺陷，如果滲透到基體還會導致整個構件的氫脆現象，特別是對於高強度鋼，一旦滲氫容易導致構件的脆斷。因此，電鍍後（尤其是高強度的工件）要在一定的溫度下熱處理數小時，以驅除滲透到鍍層下面或者基體金屬中的氫。這種工藝叫做「除氫」或「驅氫」

如何防止氫脆

氫脆給人類利用金屬帶來了風險，因此研究氫脆的目的主要在於防止氫脆，由於氫脆的原因很多，而且人類的認識也不夠透徹完整，所以現在還無法完全防止氫脆．

目前防止氫脆的措施有以下幾種：

• 避免過量氫帶入--在金屬的冶煉過程中降低相對濕度，對各種添加劑和鋼錠模進行烘烤保持乾燥．
• 去氫處理--減緩鋼錠冷卻速度使氫有足夠的時間逸出，或把鋼材放在真空爐中退火除氫．
• 鋼中添加適當的合金元素，形成彌散分布的第二相，做為氫的不可逆陷阱，使得材料中的可活動氫的含量相對地減少，從而降低材料的氫脆傾向．
• 發展新的抗氫鋼種，氫在體心立方晶體結構中的擴散速度比六角密堆結構或面心立方結構中的擴散速度高得多，所以抗氫鋼常以具有面心立方結構的相為基，再加其他強化措施，可使其滿足使用強度要求．
• 採用適當的防護措施--在酸洗或電鍍時在酸液或電解液中添加緩蝕劑，使溶液中產生的大量氫原子在金屬表面相互結合成氫分子直接從溶液中逸出，避免氫原子進入金屬內部．
• 此外，在構件外塗敷防腐層或在工作介質中施加保護電位，可避免構件與介質反應生成氫．

電鍍後的除氫

工件於電鍍後一般都是採用熱處理的方式把原子態的氫驅逐出，以防止氫脆現象。對於常用的鍍鋅構件，一般是在帶風機的烘箱中，220℃恆溫條件下保溫2小時，這個工序一般是在鈍化之前，這樣不會造成由於驅氫而導致鈍化層的破裂。不鏽鋼化學鍍鎳後經過400℃，1.5h的熱處理，可以顯著提高其硬度，降低脆性。Fe-Mn合金鍍層經過100℃、150℃、200℃，1.5h的除氫處理後，拉伸結合強度分別提高了49.5%、75.5%和121.8%，可見，除氫處理對於提高鍍層的性能具有重要作用。由上可見，除氫處理通常是選擇一個最佳的溫度區間（一般是在200～300℃之間）和時間（一般是2～3h）進行熱處理，但是針對不同的鍍層稍有差異，而且不同的處理溫度和處理時間對鍍層的性能也有一定的影響。

因此，除氫要保證即能有效的驅除滲透到鍍層或者金屬基體的原子態的氫，又不會導致鍍層破裂。

參考文獻

• ASM international, ASM Handbook #13: Corrosion, ASM International, 1998
• 表面工程資訊期刊, 2009年第1期