原来氢气也可以嘎嘣脆

前几天，一个会议中，在嘈杂的讨论声中，我听到了一个词---“氢脆”，我这好奇心陡然升起，于是乎，就去查找资料...

先从“氢脆”是啥玩意入手

氢脆：高温、高压下分子氢部分分解成原子氢，或是氢气在湿的腐蚀性气体中经过电化学反应而生成氢原子，氢原子渗透到钢里，使钢材晶粒间的原子结合力降低，造成钢材的延伸率、断面收缩率降低、强度变化。  

从大学到工作，从来没对高温高压有啥非分之想，但这次我就去查了一下到底多少值才算是高温高压，查阅资料众说纷纭，我觉得比较靠谱的回答是：高温高压的界定标准是根据具体应用领域和特定需求而定的。在不同行业中，高温高压的定义可能会有所不同。在实验室和科研领域，高温通常指的是超过1000℃，高压可能达到几百MPa以上。而在工业应用中，高温一般指的是超过300℃，高压一般在数十MPa到数百MPa之间。

在这个地方要说一下我的个人理解，氢脆定义里说的高温高压指的是氢气分解成原子氢的条件，并不代表氢脆发生的条件。

查氢脆的时候，也查到了它的近亲---氢蚀

氢蚀：钢材长期与高温、高压氢气接触，氢原子或氢分子通过晶格和晶间向内扩散，这些氢和钢中的碳化物化学反应生成甲烷（Fe3C+2H2——3Fe+CH4）,产生钢材的内部脱碳，甲烷气体不能从钢中扩散出去而积聚在晶间形成局部高压，造成应力集中，晶间变宽，致使微小裂纹或起泡。开始很小，随着时间加长，无数裂纹相连，使钢材的强度和韧性下降，失去原有的塑性而变脆。

发生氢蚀的高温和高压一般是超过300℃和30MPa

高温氢腐蚀与氢脆腐蚀的共同点是：都是在氢分压达到一定值下发生的。

不同点是：

a.发生的机理不同：氢蚀主要是化学腐蚀，氢脆是物理腐蚀；

b.发生的条件不同：氢腐蚀主要是在高温且氢分压达到一定值情况下发生的，氢脆是在常温下就可能发生（最易发生的温度18-25℃），当然还需一定条件就是一定的氢分压和拉应力；

c.破坏的起源不同：氢蚀主要是由内部形成甲烷气泡引起的，氢脆是由内裂开始的。  

氢脆是一次脆化，是可逆的，氢蚀是永久的脆化，不可逆的。

那问题来了，既然氢脆是可逆的，那咋整才会发生逆转呢？

逆转最大的前提是金属还没有开裂，所以逆转的本质是让氢原子从金属中扩散出来。主要方法就是热处理，被称为低氢退火或烘烤。但是热处理必须达到足够的时间和温度，因此热处理并不是完全有效的。

氢脆需要氢原子存在的同时还需要机械应力来诱导裂纹扩大。

所以在逆转这里，我理解的是热处理还可以减小材料的内部应力。

氢脆最显着地发生在钢材以及铁、镍、钛、钴及其合金中。铜、铝和不锈钢则不易发生氢脆。从这点就可以注意到，双极板材质上，如果使用不锈钢316L就可以不用考虑氢脆，如果想开发钛金属板，就要考虑氢脆的影响了。  

通过扫描电子显微镜观察到硬化钢中因氢而产生的裂纹

如何预防氢脆？

从燃料电池方向来考虑的话，电堆里的双极板到系统的管路，主要是从材料方面下手，金属一般就选用不锈钢，如果是其他的金属比如是钛双极板，合适的镀层材料可以预防氢脆。

另一个地方就是储氢瓶了，储氢瓶是氢气压力最大的部件，因此储氢瓶在材料选择时非常考究，高压气态储氢瓶采用三层结构，即树脂内胆(塑料内衬)、碳纤维强化树脂(CFRP)中层和玻璃纤维强化树脂(BFRP)外层。

关于氢脆造成的事故，最开始源于二战美军为了运输士兵和物资，美军建造了数千艘油轮——自由轮，在2710艘自由轮中，近1500艘出现了严重的裂缝。在严寒而又波涛汹涌的海面上，一些自由轮甚至断成了两节。

关于这个事故有两方面原因，一方面就是钢铁本身在低温的情况下就会变脆，另一方面就是氢脆造成的。

那问题就来了，海上航行的轮船怎么会与氢接触呢？这个氢脆是咋回事呢？

这个氢来源于焊接，焊接产生的氢气残存在焊缝里面。

在焊接过程中，由于金属材料含有各种气体，如水分、油脂、氧化物等，这些气体可能会被热能激活并释放出来，其中就包括氢气。在焊接中，主要存在以下四种情况产生氢气：

1.由于焊接材料表面积极性不一样，吸收了水分等物质，在焊接时释放氢气。

2.焊接金属表面含有脂肪油等有机物，在高温下会分解，释放氢气。

3.金属材料的内在缺陷或裂纹，使得氢气困在金属内部，在焊接时也会释放出来。

4.由于焊接材料不同熔点，焊接时产生较大的温度梯度，使得氢气分子在焊缝处聚拢，从而导致更高的氢气浓度。

所以，在焊接的情况下，通常对金属进行预热和后加热，以使氢气在造成任何损坏之前扩散出去。

关于氢脆的学习记录就写到这，难免会有差错，仅供参考。