氢脆断裂——演艺设备行业不得不跨过的一道坎

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氢脆通常表现为钢材的塑性显著下降，脆性急剧增加，并在静载荷下（往往低于材料的σb）经过一段时间后发生破裂破坏的趋势。众所周知，氢在钢中有一定的溶解度。炼钢过程中，钢液凝固后，微量的氢还会留在钢中。通常生产的钢，其含氢量在一个很小的范围内。氢在钢中的溶解度随温度下降而迅速降低，过饱和的氢将要析出。

一般的说，钢的氢脆发生在室温附近的-50~100℃之间。温度过低时氢的扩散速度太慢，聚集少不会析出；高温时氢将被“烤”出钢外，氢脆破坏也不大会发生。随着科学的发展，人们又发现氢脆机理的新观点：氢促进了裂纹尖端区塑性变形，而塑性变形，又促进了氢在该区域内浓集，从而降低了该区的断裂应力值，这就促进了微裂的产生，裂纹的扩展也伴随着塑性流变。

▲紧固件上出现的氢致裂纹

环境因素

如钢在含氢量较高的环境中，如水、酸、氢气中时，氢通过吸附在钢铁表而扩散，造成钢变脆。同时氢分压对氢裂纹扩展速度有明显的影响，提高氢气压力会增加氢脆敏感性。

强度因素

一般来说，钢的强度越高，氢脆敏感性越大。国外一些发达国家明文规定“高强度钢不准酸洗”就是为了防止氢脆。而化学成分是通过强度来影响钢的氢脆断裂，这是因为氢和S、P等原子偏析于晶界会引起晶界结合力减弱，从而促使沿晶界首先断裂。

▲应用于“鸟巢”的LAX音箱，表面采取了“喷玻璃钢”的纳米材料技术，有效预防“氢脆”现象

热处理

钢的氢脆与其显微组织和热处理有密切的关系，实验和事实标明，该组织在热力学上稳定性愈差，则氢脆的敏感性愈大。例如珠光体、铁素体组织的氢脆倾向远低于马氏体，而且网状分布的高碳马氏体最敏感。

▲钢在不同热处理状态下的显微组织

在热处理产业链上，多道工序需要酸洗，如淬火后回火前的酸洗、回火后喷砂前酸洗、蒸汽处理或氧氮化前酸洗、TiN等表面强化前的酸洗以及电镀前的酸洗等。酸洗在不同阶段其目的是不一样的，有的是为了去除氧化皮，有的是为了提高工件表面活性，有的是为了缩小尺寸等。传统的酸洗工艺繁琐、流程长、成本高、能耗大、污染严重、劳动条件差等，更为可怕的是对钢材内在质量产生很大的危害——氢脆。为此，改进酸洗工艺，采取防渗氢措施，已成为几代人关注的问题。

酸洗工艺的改进

钢铁表面的锈蚀主要是铁的氧化物和氢氧化物等，清除这些锈蚀主要是酸类组分借助表面活性剂等的协同作用来完成的，其作用过程大致是溶解和剥落。为了克服常规酸洗带来的缺陷，可作如下改进。

首先，降低酸浓度。低浓度酸洗工艺对降低酸液消耗，改善环境，提高工件表面质量有明显的经济效益和社会效益。该工艺利用氧化皮的多孔性，在润湿剂的作用下使酸液迅速渗透到基体与氧化皮的界面上发生化学反应，利用氢气的机械剥落作用，达到除去氧化皮清洁表面的作用。

其次，利用混合酸液的综合特性。生产上常用盐酸或硫酸液除锈，但两者的性能各异，若将盐酸与硫酸按适当比例配制成混合液，能兼有两者的功能，既能提高除锈速度，又降低了操作温度。

最后，采用特殊的酸洗工艺。针对不同工件的形状、用途、热处理状态采取不同的酸洗工艺，就是说酸洗工艺也应该个性化。

防止氢脆的措施

酸洗过程的渗氢是一个相当复杂的过程，即涉及腐蚀的共轭步骤，又涉及氢在金属表吸附和析出的以及浸入金属内部的并、串联步骤，还涉及到应力腐蚀的深层次问题。研究表明，在酸洗条件下，直接进行渗氢的电化学测量是研究酸洗过程渗氢行为的可行方法。为减轻钢铁件渗氢程度，可采取如下一些防渗氢措施。

第一，引入多功能的缓抑制。多功能的缓抑剂具有缓蚀与抑雾功能，不仅酸洗速度快，而且阻抑渗氢的功能较强，缓蚀率高。

第二，防止金属杂质污染酸洗液。业已查明，当酸洗液中含有P、As、Sn、Hg、Pb、Zn、Cd等金属杂质时，会促进渗氢量增加，加剧氢脆断裂倾向。

第三，驱氢处理。是凡经过酸洗工件，最好进行180~200℃×3~4h驱氢处理。

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