氢脆的研究由来已久,各国学者对其在各种环境下的产生原理及过程有着广泛而深入的探索。J.Woodtli等学者研究了氢脆现象和应力腐蚀开裂现象的特征及破坏作用;M.V.Biezma等学者探讨了氢在微生物腐蚀环境下对于应力腐蚀开裂过程的影响,结果表明在此环境下,氢脆和应力腐蚀使材料力学性能的下降,并且两者之间有协同作用;R.A.Oriani等学者在氢的作用导致材料性能降低方面进行了研究,实验重点考察了吸收和解吸作用对氢渗透电流的影响,建立了一种新型的氢渗透数据处理模型。
1. 环境因素的影响
氢脆是特定材料在特定环境下的脆断现象,是环境与材料相互作用的结果。敏感材料在含有氢元素的环境中都有可能发生氢脆,影响氢脆的环境因素有温度、pH、氧化还原电位、特殊离子、气体化合物等。
a. 温度
氢脆在温度-30~30℃附近最敏感,一般发生在-100~150℃范围内,在低温或高温时氢脆敏感性降低。随温度的升高氢在金属中的溶解度、扩散速率升高。温度不仅有利于氢渗透也有利于氢的复合,是一种双重影响。温度主要通过影响材料中氢浓度、氢扩散速率从而影响材料的氢脆。
b. pH值
pH值的大小直接决定了H+的多少,进而可能影响氢的生成,但并不是简单的pH越低氢脆越容易发生。不同的材料和溶液会有不同的影响结果,通常情况下,由于pH值降低H+增多有利于氢的产生,氢脆敏感性升高。但E.M.K.Hillier等人研究发现,电镀中pH值降低有利于能抑制氢脆的富钴相的形成,从而降低了材料的氢脆敏感性。虽然在高pH值条件下H+较少,但并不一定影响氢的生成,主要起决定作用的是阴极反应。
c. 氧化还原电位
电位越负越有利于析氢反应的发生,因此更有利于氢脆的发生。Wen-Ta Tsai等人的研究发现2205双相不锈钢在阳极电位区以及腐蚀电位附近(380~500mV范围内)均不发生氢脆,只有当电位处于较负的阴极电位区(<900mV)时才发生氢脆。说明电位降低氢脆敏感性增高。特别是在对材料进行阴极保护时,控制保护电位对预防氢脆更重要。
d. 特殊离子
环境中的离子主要通过影响氢的产生,进而影响材料的氢脆。其中,由于硫化氢或硫离子引发的SCC是目前国内外学者研究的焦点,特别是在研究含硫原油输油管道的环境脆断时,氢脆机理以硫化氢氢脆为主。余刚等人研究发现随溶液中硫化氢溶液质量分数的增加,16MnR钢的稳态渗氢电流密度逐渐增大,在高质量分数区趋于稳定值。硫化氢质量分数的增大使二价硫离子含量增加,对原子氢结合成氢分子的毒化作用也逐渐增强,钢表面原子氢浓度的增大能增大渗氢的效率。亚硫酸根离子也能促进氢渗透,特别是在含有二氧化硫的大气氢渗透中作用更明显。其他的离子,如氯离子能破坏金属氧化膜,间接促进氢渗透,而且含氯离子环境,如海洋环境等是材料脆断的敏感介质,对氢脆也有一定的影响。
此外,生物因素,如硫酸盐还原菌(SRB)在代谢过程中产生氢,对氢脆也会产生一定影响。总之,环境对氢脆的影响主要是通过影响氢的来源和传输扩较敏感。
2. 材料本身对氢脆的影响
a. 强度水平
一般氢脆敏感性随硬度、强度的升高而增高。由于应力梯度有利于氢扩散,因此材料在使用、焊接等处理工艺过程中等造成的残余应力会使其氢脆敏感性提高。
b. 合金元素
氢与不同的金属元素的结合作用能力,在其中的扩散速率不同造成不同金属材料的氢脆敏感性也不同。如在铁镍二元合金中,氢的渗透速率随Ni含量的增加而增大,钦合金对氢脆的敏感性较其他金属更高,已经成为研究热点。
U.Prakash等人研究发现铁铝合金中C或Al的含量升高能适当抑制氢脆。
c. 微观结构
不同的金属以及合金都有不同的微观结构,氢原子在金属中主要是通过晶界或空隙扩散,而且主要偏聚在晶界、夹杂物等缺陷处。微观结构直接影响了氢在材料中的扩散、偏聚、与金属的相互作用等材料脆断过程中的关键步骤,是氢脆的重要影响因素。不同晶体结构中,马氏体比贝氏体、珠光体、铁素体、奥氏体、沉积硬化钢的氢脆敏感性高;贝氏体比珠光体、铁素体的氢脆敏感性高;抑制氢脆方面铁素体不如奥氏体,而且两相的比例及晶粒大小也影响氢脆敏感性。微观结构中,位错作为可逆陷阱,位错密度越高越有利于氢的扩散传输,从而增高氢脆敏感性;相反作为不可逆陷阱的微观结构如金属碳化物、晶间沉积物、转变奥氏体结构等的数量越多,分布越均匀,氢脆敏感性越低。一般认为材料的晶粒越细、分布越均匀,缺陷越少,材料抗氢脆性能越好。此外,材料中的杂质元素与主体元素结合,改变了其微观结构以及陷阱的数量和分布形态,从而降低或提高材料的氢脆敏感性。