氢致开裂的机理分析说明

  关于氢脆的机理，尚无统一认识。各种理论的共同点是：氢原子通过应力诱导扩散在高应力区富集，只有当富集的氢浓度达到临界值C.时，使材料断裂应力σ降低，才发生脆断。目前较为普遍的观点有以下几种。

1. 氢的扩散机理

  裂纹尖端处于阴极区，由于阴极反应的结果，使介质中的氢离子获得电子后还原成氢原子，一部分氢原子进一步结合成氢气后逸出，另一部分氢原子向金属内部扩散。原子氢在金属中的扩散，有浓差扩散和应力扩散。裂纹尖端高应力塑变区晶格缺陷的堆积，产生氢与金属中缺陷交互作用的陷捕效应，使氢在此区域内产生高浓度的集中，从而使该区域的金属脆化。

2. 氢压理论

  在H₂环境中，H₂分解成H进入金属，其浓度C_H和／P成正比，反过来，如果溶解在金属中的H进入某些特殊区域（如夹界或第二相界面，空位团），就会复合成H₂,即2H→H₂,这时该处的H₂压力P就和C²_H成正比，但由于H₂不是理想气团，压力较高时要用逸度f代替，即

f=(CH/S)²=C²_Hexp(-2ΔH/RT)（1.5)

当局部区域C_H很高时，按式（1.5)算出的逸度换算成压力后等于原子键合力σ_th,就会使局部地区的原子键断裂而形成微裂纹。在高逸度电解充氢时，充氢过程中就会产生氢鼓泡（出现在表层）或氢致微裂纹，它和是否存在外加应力无关，也不需要滞后时间（即不需要应力诱导扩散、富集），这完全是氢压力P等于σ_th,从而使原子键断裂而形成微裂纹。氢压理论成功地解释了电解充氢过程中产生的裂纹、钢中白点以及钢在硫化氢溶液中产生的裂纹。但对于不可逆损伤，如氢致可逆塑性损失以及氢致滞后开裂，仅仅用氢压理论无法解释。

3. 氢降低表面能理论

氢降低表面能理论是N.Petch和P.Stabls在1952年提出的。材料断裂时将形成两个新的表面，对于完全脆性的材料，断裂时所需的外力做功等于形成新的表面所需的表面能。当裂纹尖端区处于阴极状态时，由于阴极反应的结果，表面将产生大量的氢原子，根据断裂力学的观点，处于高应力裂纹尖端的表面会有效地促使表面吸附氢原子，吸附在材料表面的氢会使材料的表面能降低，使断裂所需的临界外应力降低，引起氢脆。它没有考虑塑性变形功，因而对金属材料是不适用的。到了20世纪70年代，C.McMahon等人对这一理论进一步作了修正。他用Orowan判据，把局部塑性变形的因素考虑进去，导出了塑性变形功Tp和表面能r的关系。氢降低表面能理论存在的问题如下：一方面，对氢吸附后表面能降低的物理本质尚不清楚；另一方面，这一理论忽视了局部塑性变形对断裂过程的主导作用。

4. 弱键理论

弱键理论认为氢进人材料后能使材料的原子间键力降低，原因是氢的1s电子进入过渡族金属的d带，使d带电子密度升高，s带与d带重合部分增大，因而原子间排斥力增加，即键力下降。该理论简单直观，容易被人们接受。给而实验证据尚不充分，如材料的弹性模量与键力有关，但实验并未发现氢对弹性模量有显著的影响。此外，没有3d带的铝合金也能发生可逆氢脆，因此不可能有氢的1s电子进入金属的d带。

5.氢促进局部塑性变形机理

氢促进局部塑性变形机理的基础是一系列断口形貌研究结果和随后的金相及透射电镜原位跟踪实验结果。该理论认为，氢能促进位错的增殖和运动，使得局部地区（如裂尖、无位错区、位错塞积群前端）的应力集中σ_y等于被氢降低了的原子键合力σ_th(H),从而导致氢致微裂纹在该处形核，原子键进人微裂纹就复合成H₂,产生氢压，它能使微裂纹稳定化，同时也能协助局部应力使之解理扩展。该理论同时考虑了氢促进局部塑性变形，氢降低原子键合力以及氢压作用。该理论表明，从微裂纹上看，氢促进位错发射和运动；从宏观上看，氢使门槛应力r_c(或应力强度因子）为

也使临界断裂应变下降，从而使材料变脆。因为只有当氢通过应力诱导扩散富集到等于临界值C_th时，才会明显促进局部塑性变形并使应变高度局部化，同时也使σ_th(H)明显下降，从而在低的外应力下就导致开裂。