平时讲的氢脆为由内氢或者外氢导致而形成的可逆氢脆,其主要特点如下:
1. 应变速度低氢脆敏感性强,形变速度的增高导致氢脆发生的温度范畴变窄、塑性减小、幅度变低,即氢脆不容易发生。此外,如果应变速度高于某临界值,则氢脆不会发生。
2. 氢脆对高强度钢较敏感,这是由于高强度钢在热力学上比较不稳定,容易发生脆化,氢脆的敏感性随着材料屈服极限值的升高而升高。
3. 氢脆对含氢量较敏感,钢的氢脆临界应力值随着氢浓度的增加而下降,同时钢发生氢脆的孕育期和破坏时间均随着氢浓度的升高而缩短。
4. 氢脆的产生是在某个应力范围之内的,即氢脆的产生存在一个上、下临界应力值,其为一种延迟破坏。只有当应力在上、下临界应力值之间时延迟破坏才会发生,其发生主要有三个阶段,分别为孕育期、裂纹在应力作用下长大及失稳断裂。而应力低于下临界应力值时不管时间多久都不会出现脆断现象;当应力高于上临界应力值时就能够出现瞬时脆断的现象。
5. 温度越高氢脆敏感性越低,即氢脆具有低脆性温度特征。此外,氢脆的裂纹扩展具有不连续的特征,很少出现分支并且通常情况下很少在材料的表面形成裂纹源。
在应力影响下,氢能够在裂纹尖端的三向应力区富集,导致材料断裂应力减小从而造成脆性断裂。现阶段较为流行的氢脆机制如下:
1. 氢压理论
氢压理论指出一些过饱和的氧在金属中的一些缺陷位置(如孔隙,晶界)析出,并且H结合成H2能够在金属的这些缺陷处形成比较大的内压力,该内压力跟外外应力或者金属内部的残余应力形成合力,当金属的屈服极限低于这个合力时,断裂就会发生、即氢在金属材料缺陷处所形成的内压力跟外应力促进了裂纹的形成和发展,
2. 吸附氢降低表面能理论
氢吸附在裂纹尖端时能够导致金属表面能减小,进面造成金属的断裂应力减小,吸附氢降低表面能理论可以被用来很好地诠释应变速率对氢脆的作用,阐明氢脆发生孕育期的存在及在较低的氢分压条件下实验过程中出现脆断现象等。但是吸附氢降低表面能理论不可以用来解释氢脆可逆性的特点,以及不可以解释氢脆裂纹扩展具有不连续特征等。
3. 弱键理论
氢在应力的作用下会在材料缺口或者裂纹尖端的三向应力区聚集,进而导致该处金属原子键的结合能降低,金属在较小的应力作用下就会发生脆性断裂。氢能够减弱原子键结合能的原因在于氢的1S电子进人到了过渡族金属元素没有填满的3d带,使得金属3d带电子的密集度增强,提高了金属原子之间的排斥力、减弱了其键力,进而导致了金属的脆化。但是非过渡族由于金属元素不存在3d带,因而该理论的缺陷在于无法解释非过渡族金属合金,例如,铝合金、镁合金等的可逆性氢脆。
4. 氢气团钉扎理论
氢气团钉扎理论指出氢脆的发生是由于位错的移动受到氢的钉扎作用导致的,同时氢与位错之间的互相作用理论指出氢脆仅存在于在特定的温度及形变范畴之内。当温度处于小于临界温度的条件下,Cottrell气团能够在含氢金属的形变过程中产生。氢原子的扩散在温度不太低但是形变速度较小的条件下能够与位错运动速度相适合,即Cottrell气团在落后于位错一定距离的情况下伴随着位错运动而运动,即导致位错不能自由运动,该种情形被称为氢对位错移动产生的钉扎效应。该种效应能够导致材料发生局部硬化的现象,新位错在外力的影响下连续产生,当新位错跟 Cottrell气团在移动过程中碰到例如晶界等障碍时,就会在障碍处产生氢气集结及位错塞积,在应力足够大的状况下就会形成裂纹,并且会自此扩展以及长大。