氫脆的原理

氫脆是金屬因氫元素侵入而變脆的現(xiàn)象，影響安全和經(jīng)濟。預(yù)防措施包括使用抗氫脆材料、阻氫涂層等。氫氣應(yīng)用對環(huán)境友好，有助于碳中和。

氫脆又稱氫致開裂或氫損傷，是一種氫元素進入金屬基體，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低從而在未達(dá)到許用條件情況下即發(fā)生失效斷裂的現(xiàn)象。氫脆常表現(xiàn)為沖擊韌性降低和應(yīng)力作用下金屬材料的延遲斷裂，往往因其不可預(yù)測性從而造成安全問題和經(jīng)濟損失。

金屬材料的氫損傷通常分為兩類：一類是在高溫（一般為2200℃以上）高壓下，鋼中氫和碳及Fe3C反應(yīng)，生成甲烷.結(jié)果造成材料內(nèi)裂紋和鼓泡，稱之為氫腐蝕（簡稱HA);另一類為由于擴散到金屬中位錯處的氫或生成金屬氫化物所造成的材料脆化現(xiàn)象稱為氫脆(Hydrogen Embrittlement,.HE)。

（圖：氫蝕）

（圖：氫脆）

金屬材料中的氫來源分為內(nèi)源氫和外源氫。內(nèi)源氫主要來源于金屬冶煉過程，在冶煉過程中進人的水在高溫狀況下分解以及廢鋼表面附著的鐵銹，都可引入內(nèi)源氫。外源氫一般來源于H、HS等氣體與金屬交互作用中產(chǎn)生的氫原子，由于氫原子尺寸很小，當(dāng)其吸附在大多數(shù)金屬表面時，在濃度差的驅(qū)動力下會擴散進金屬基體。氫原子滲人材料內(nèi)部晶格中，可在金屬內(nèi)部擴散，并聚集于金屬內(nèi)部的空穴、位錯、第二相粒子和夾雜物等缺陷周圍。金屬內(nèi)部的氫可在一些缺陷處重新結(jié)合成H2分子，并在金屬內(nèi)部形成強大的氫氣壓，造成金屬內(nèi)部裂紋的形成。另外，氫也會聚集在裂紋尖端的塑性區(qū)，使裂紋擴展的阻力大大降低。一般來說，鋼強度越高、位錯、空穴、第二相等缺陷數(shù)量就越多，越容易受到氫脆的影響。氫脆發(fā)生的機理主要包括高壓氫氣理論、弱鍵理論（氫降低鍵結(jié)合理論）、位錯理論等多種理論。

（圖：氫壓理論示意圖）

（圖：弱鍵理論（氫降低鍵結(jié)合理論））

氫脆可能會導(dǎo)致一些突發(fā)性的事故，造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失，危及生命安全，是氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)安全生產(chǎn)重要的隱患之一。在氫能產(chǎn)業(yè)中，儲氫容器、輸氫管道、氫壓縮機、接觸氫氣的管件等均可能產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，從而造成危險。尤其是高壓鋼制容器、高壓長輸管道及相關(guān)管件一般選擇高強度鋼，而鋼強度越高，越容易發(fā)生氫脆風(fēng)險，對容器和管道的壽命影響越大。

（圖：鋼材氫脆斷面）

氫脆只能預(yù)防，氫一旦進入金屬材料內(nèi)部，造成材料的性能損傷不可避免。避免氫脆發(fā)生的一種辦法是采用不易發(fā)生氫脆的材料，比如采用塑料作為儲氫容器內(nèi)膽，采用不易產(chǎn)生氫脆的低強度鋼材作為低壓輸氫管道的材料。采用阻氫涂層或者進行材料組織改良也是防止氫脆的技術(shù)手段。核工業(yè)中，已通過阻氫涂層作為氫擴散進基體的屏障，來防止零件因氫脆失效。在石油行業(yè)里，一般通過熱處理等工藝制備X系列管線鋼等氫脆敏感低的鋼材。其中X70、X80鋼，由于其出色的力學(xué)性能和較為優(yōu)異的抗氫脆性，在解決石油運輸管道的氫脆問題方面起到了很大作用。