進入雙相不銹鋼中的氫在與材料中的殘余應力或外加應力的協同作用下,會給金屬的性能造成一定的損傷,即所謂的氫損傷。這種傷害可以是暫時的,即在氫逸出鋼材后,受損傷的性能可以恢復;損傷也可以是永久的,即對性能的損傷是不可逆的,在氫離開金屬后性能仍不可恢復。1976年,Hirth 和 Johnson在大量研究的基礎上把氫損傷分為七類,即氫脆(HE)、氫蝕(HA)、氫鼓泡(blistering)、發紋或白點(shatter cracks、fisheyes)、顯微穿孔(microperforation)、流變性能退化和形成金屬氫化物(hydride).其中,氫脆是最常見的一類,它又可以分為氫應力開裂、氫環境脆化和拉伸延性喪失三種。
雙相不(bu)銹鋼(gang)的(de)(de)脆(cui)(cui)可分為(wei)兩類(lei):第一類(lei)氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)(cui)的(de)(de)敏(min)感性(xing)(xing)隨形變(bian)(bian)速度的(de)(de)提高而增加,第二類(lei)氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)(cui)的(de)(de)敏(min)感性(xing)(xing)隨形變(bian)(bian)速度的(de)(de)提高而降低。兩類(lei)氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)(cui)的(de)(de)主(zhu)要差別是前者(zhe)(zhe)在(zai)(zai)材(cai)料加載荷(he)前已經存在(zai)(zai)氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)(cui)源,后(hou)者(zhe)(zhe)在(zai)(zai)加載荷(he)之前并不(bu)存在(zai)(zai)氫(qing)(qing)(qing)脆(cui)(cui)源,而是由于氫(qing)(qing)(qing)與應力產生(sheng)交互作用后(hou)才形成的(de)(de)。
第一類氫脆表現有以下三(san)種情況(kuang):
1. 氫蝕(shi)(Hydrogen Attack)
主(zhu)要表現在(zai)石油高(gao)壓加(jia)氫及液化(hua)石油氣的設(she)備中。其作用機理是(shi)在(zai)300~500℃溫度范圍內,由(you)于高(gao)壓氫與雙相不銹鋼中碳作用在(zai)晶(jing)界上(shang)生(sheng)成高(gao)壓CH4而使材料脆化(hua)。
2. 白點
在重軌鋼及大截面鍛(duan)件中(zhong)易出現(xian)這類(lei)氫脆。這是由于(yu)鋼在冷(leng)(leng)凝(ning)過(guo)程中(zhong)氫溶解度降低而(er)析出大量氫分子。它們在鍛(duan)造或軋制過(guo)程中(zhong)形成高壓(ya)(ya)氫氣泡,在較快(kuai)速(su)度冷(leng)(leng)卻(que)時氫來不及擴散到表面逸(yi)出,于(yu)是在高壓(ya)(ya)氫分子和應力(熱應力或組織應力)的共同作用下造成白點(dian)等(deng)缺陷。采用緩(huan)冷(leng)(leng)或在鋼中(zhong)加入稀土(tu)、V、Ti等(deng)元素(su)可(ke)減輕這類(lei)氫脆。
3. 氫化(hua)物氫脆
由于(yu)IVB族(Ti、Zr、Hf)和VB族(V、Nb、Ta)金屬(shu)極(ji)易生成氫化物,而(er)導(dao)致脆性。因為氫化物是一種脆性相,它(ta)與(yu)基體存(cun)在(zai)較弱的結合力,且二者間(jian)的彈性和塑性均(jun)不同,因此在(zai)應力作(zuo)用下形成脆斷。
第二類氫脆(可逆性氫脆)
是近年來最活(huo)躍的研究領域。這是由(you)靜(jing)載荷持(chi)(chi)久實驗所(suo)產生的脆斷(duan)。含氫(qing)材(cai)料在持(chi)(chi)續應力作用下,經(jing)過一定孕育期(qi)后形(xing)成裂紋,存(cun)在一個(ge)亞臨(lin)界(jie)裂紋的擴展階(jie)段(duan),當外界(jie)應力低(di)于某一極限值(zhi)時,材(cai)料將(jiang)長期(qi)不斷(duan)裂,此極限值(zhi)與疲勞(lao)極限十分相似。
可逆性氫脆(滯后破壞)的發生與金屬的晶體結構無關。其共同特征是:只在一定溫度范圍內發生(100~100℃);氫脆敏感性與形變速度有關,形變速度越大,敏感性越小,當超過某一臨界速度,則氫脆完全消失,氫脆斷口平滑,多數是沿晶斷裂。可逆性氫脆可以在含氫的材料中發生(內部氫脆),也可在含氫介質中發生(環境氫脆),二者實驗條件不同,但表現出的氫脆特征是相同的。環境氫脆內容十分廣泛,環境介質除H2、H2S、H2O外,還有各種碳氫化合物及各種水溶液。因此,廣義的環境氫脆包括各種水溶液的應力腐蝕。氫對金屬機械性質最重要而普遍存在的是氫脆,這意味著金屬中充入一些氫后對負載-時間函數關系上引起機械失效所需功的減小。這種減少可表現為拉伸(應變)限度的減小而引起失效、金屬可承受的靜負載量的減少、負載-非負載循環次數的減少或表現為破裂傳播速率的增加。重要的是要認識到氫的這種效應依賴于下列復雜并相互作用的方式,對于給定的合金組分,這些因素有純凈度、雜質分布、微結構和相分布、以前的機械歷史(如形變的程度和種類)、表面化學和幾何學(如凹坑)等。對某些金屬(如高強度鋼)不足百萬分之一的氫含量就足以引發災難性的氫脆。而對另一些金屬(如Nb、Ta),嚴重的氫脆在氫濃度足夠高到形成氫化物時才會發生。

