三一氢能“氢言氢语”—氢脆的原理

氢脆又称氢致开裂或氢损伤，是一种氢元素进入金属基体，导致材料的力学性能降低从而在未达到许用条件情况下即发生失效断裂的现象。氢脆常表现为冲击韧性降低和应力作用下金属材料的延迟断裂，往往因其不可预测性从而造成安全问题和经济损失。

金属材料的氢损伤通常分为两类：一类是在高温（一般为2200℃以上）高压下，钢中氢和碳及Fe3C反应，生成甲烷.结果造成材料内裂纹和鼓泡，称之为氢腐蚀（简称HA);另一类为由于扩散到金属中位错处的氢或生成金属氢化物所造成的材料脆化现象称为氢脆(Hydrogen Embrittlement,.HE)。

（图：氢蚀）

（图：氢脆）

金属材料中的氢来源分为内源氢和外源氢。内源氢主要来源于金属冶炼过程，在冶炼过程中进人的水在高温状况下分解以及废钢表面附着的铁锈，都可引入内源氢。外源氢一般来源于H、HS等气体与金属交互作用中产生的氢原子，由于氢原子尺寸很小，当其吸附在大多数金属表面时，在浓度差的驱动力下会扩散进金属基体。氢原子渗人材料内部晶格中，可在金属内部扩散，并聚集于金属内部的空穴、位错、第二相粒子和夹杂物等缺陷周围。金属内部的氢可在一些缺陷处重新结合成H2分子，并在金属内部形成强大的氢气压，造成金属内部裂纹的形成。另外，氢也会聚集在裂纹尖端的塑性区，使裂纹扩展的阻力大大降低。一般来说，钢强度越高、位错、空穴、第二相等缺陷数量就越多，越容易受到氢脆的影响。氢脆发生的机理主要包括高压氢气理论、弱键理论（氢降低键结合理论）、位错理论等多种理论。

（图：氢压理论示意图）

（图：弱键理论（氢降低键结合理论））

氢脆可能会导致一些突发性的事故，造成经济财产损失，危及生命安全，是氢能产业实现安全生产重要的隐患之一。在氢能产业中，储氢容器、输氢管道、氢压缩机、接触氢气的管件等均可能产生氢脆现象，从而造成危险。尤其是高压钢制容器、高压长输管道及相关管件一般选择高强度钢，而钢强度越高，越容易发生氢脆风险，对容器和管道的寿命影响越大。

（图：钢材氢脆断面）

氢脆只能预防，氢一旦进入金属材料内部，造成材料的性能损伤不可避免。避免氢脆发生的一种办法是采用不易发生氢脆的材料，比如采用塑料作为储氢容器内胆，采用不易产生氢脆的低强度钢材作为低压输氢管道的材料。采用阻氢涂层或者进行材料组织改良也是防止氢脆的技术手段。核工业中，已通过阻氢涂层作为氢扩散进基体的屏障，来防止零件因氢脆失效。在石油行业里，一般通过热处理等工艺制备X系列管线钢等氢脆敏感低的钢材。其中X70、X80钢，由于其出色的力学性能和较为优异的抗氢脆性，在解决石油运输管道的氢脆问题方面起到了很大作用。

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