一、氫脆的概念及機理
氫脆是工程失效分析中經常提到的一個術語。顧名思義，它是由氫引起的金屬材料的脆化。其機理是氫原子沿晶界進駐晶界并向内擴散并聚集，并在應力作用下最終導緻沿晶界開裂，從而導緻金屬材料最終産生脆性斷裂。與氫脆相關聯的另一種失效模式是應力腐蝕。
氫脆機理非常複雜，氫脆斷裂現象多種多樣。國内外氫脆理論有很多種，如位錯釘紮理論、晶界聚集理論、氫氣泡理論、脆性相理論等。迄今為止，還沒有統一的理論能夠解釋所有的氫脆現象。
但從理論上講，氫不僅能使金屬材料變脆，也能使金屬材料變韌，即氫能緻軟化也能硬化。在失效分析中，特别是在斷裂分析中，裂紋并不總是以脆性的形式出現，而是也會以韌窩斷裂的形式出現。
二、氫的來源及其在金屬中的存在形态
金屬材料中氫的來源一般有兩種。
一種是内氫，也就是材料内部含有的氫，其來源有：
另一種是環境氫，即外來的氫。零件或構件處于含氫的環境中工作，簡稱“臨氫”。金屬材料在含氫的高溫氣氛中加熱時，進入金屬内部的氫。
氫在金屬中的存在形态有如下幾種：
溶解氫：以間隙原子狀态固溶于金屬中的氫[H]；
化合氫：形成各種氫化物；TiH、NiH、VH、ZrH、NbH等
分子氫：氣态H2存在于金屬内部的氣孔、裂縫中；
氫還可以與各種合金元素溶質原子、晶體缺陷、各種化合物相發生程度不同的結合。如與位錯結合成為Cottrell氣團。
三、氫脆的種類及其特征
1. 氫蝕（氫 第二相→高壓氣體）
發生氫鼓泡的溫度較高，在205－595℃。例如碳鋼在300－500℃的高壓氫氣氛中工作，氫與鋼中的碳結合生成CH4而斷裂。反應公式：H C=H4C。宏觀斷口形貌呈氧化色，顆粒狀；微觀斷口晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。
2. 白點（發裂）
通常發生于大型鋼鍛件中。一般認為冶煉或熱加工時溶入的過量氫在鋼冷卻時未能擴散逸出，便聚集在缺陷處形成氫分子。氫體積急劇膨脹，内壓力很大将金屬局部撕裂，形成裂紋。微裂紋斷面為圓形（橢圓形）呈銀白色，故稱為白點。
10CrNiMoV鋼鍛材中的白點形貌
3. 氫化物緻脆
與氫有較大親和力的ⅣB、ⅤB族金屬，極易生成脆性氫化物，使金屬脆化。晶粒粗大時，氫化物在晶界上呈薄片狀→較大應力集中→危害大；晶粒細小時，氫化物塊狀不連續分布→危害小。
這種氫化物又分為兩類：
一類是熔融金屬凝固時，由于氫的溶解度降低而從過飽和固溶體中析出時形成的，稱為自發形成氫化物；
另一類是在含氫量較低的情況下，受外加拉應力作用，使原來基本是均勻分布的氫逐漸聚集到裂紋前沿或微孔附近等應力集中處，當其達到足夠濃度後，也會析出而形成氫化物，稱為應力感生氫化物。
4.氫緻延滞斷裂
由于氫的作用而産生的延滞斷裂現象稱為氫緻延滞斷裂。工程上的氫脆，大多是指這類氫脆。
其特點有：
1）隻在一定溫度範圍内出現；-100-150℃
2）提高應變速率，材料對氫脆的敏感性降低；
3）顯著降低斷後伸長率和斷面收縮率，強度越高材料越敏感；
4）高強度鋼的氫緻延滞斷裂具有可逆性；
5）慢拉出現塑性降低，停頓後再快拉則塑性得到恢複。
宏觀脆性特征：裂紋從次表面或内部開始。斷口較平整;
微觀特征：大多沿晶斷裂，幾乎不分叉，有二次裂紋。
四、鋼的氫緻延滞斷裂機理
新裂紋與原裂紋的尖端相彙合，裂紋便擴展一段距離，随後又停止，如圖所示，以後是再孕育、再擴展，最後當裂紋經亞穩擴展達到臨界尺寸時便失穩擴展而斷裂，因而，氫脆裂紋的擴展方式是步進式的。
氫脆裂紋的擴展過程，三個階段：孕育，裂紋亞穩擴展，失穩擴展階段
五、氫緻延滞斷裂與應力腐蝕的關系
氫緻延滞斷裂與應力腐蝕都是由于應力和化學介質共同作用而産生的延滞斷裂現象，兩者關系十分密切：産生應力腐蝕時總是伴随有氫的析出，析出的氫又易于形成氫緻延滞斷裂。兩者的區别在于應力腐蝕為陽極溶解過程，而氫緻延滞斷裂則為陰極吸氫過程。
應力腐蝕與氫緻延滞斷裂電化學原理比較
a)、c)應力腐蝕，b)、d)氫緻延滞斷裂
對于一個已斷裂的機件來說，還可以從斷口形貌上加以區分，如下表所示。
六、預防氫脆的控制措施
氫脆受環境、力學因素、材質以及顯微組織的影響。
1. 在緊固件設計時，優先選擇高強度、高韌性、抗延遲斷裂性能好的材料。
對于有高強度要求的10.9級或以上級螺栓，要盡量避免選用含碳馬氏體強化鋼，如40Cr、40Mn2鋼，而優先選擇CrMo、CrMoV系鋼，如10.9級螺栓可考慮選用38SiMnVB、35CrMoA和42CrMoA鋼；12.9級螺栓選用35CrMoV、45CrNiMoV 和42CrMoVNb鋼,此類材料的主要強化機制為以彌散析出的第二相強化，氫脆敏感性低，有較高的斷裂韌度和抗延遲斷裂能力。
2.選用高強度鋼時，應保證材料潔淨度要求。
鋼中P、S、Sn、As等雜質元素易于在晶界偏聚，增加材料的氫脆敏感性，含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性低。對同種材料而言，鋼的強度等級越高，對氫脆越敏感。因此，對于有氫脆風險的高強度零件，應選用冶煉質量級别相對較高的鋼，保證材料有較好的潔淨度，鋼材内部缺陷偏析、疏松不允許存在，并選擇材料綜合性能最好的強度水平。
3. 熱處理工藝制定時，應綜合考慮零件的強韌性，盡可能降低材料使用應力。
對于強度較高的零件，熱處理工藝的制定盡可能選用較低的淬火溫度和較高的回火溫度，但必須達到所要求的顯微組織。一般情況下，在鋼強度處于材料抗拉強度中等水平以下，其材質中氫的質量分數小于1ppm的條件以下不會發生氫脆斷裂；在鋼強度處于螺栓級别抗拉強度偏高時，其材質中氫的質量分數小于1ppm的條件下，氫脆敏感性急劇增加。資料表明，當螺栓硬度為35HRC以上，氫含量高于5～10ppm時，或螺栓硬度在40HRC以上，氫含量高于1ppm時發生氫脆的可能性極大。
4.對表面有強化要求的緊固件，必須使用降低氫含量的工藝生産。
滲碳淬火過程中必然伴随着氫的滲入，若伴随有滲硫現象，滲氫量會更大。滲碳氣氛中氫的含量越大，滲氫量也越大，通氨氣使滲氫量提高。在滲碳擴散階段，可采用通氮氣保護，降低環境氫含量來達到部分脫氫效果。
高強度墊圈氣體滲氮中氣源甲醇、氨氣中的有機硫、無機硫和水，均是增加滲氫量的因素，并增加形成黑色組織（黑洞、黑網、黑帶），易造成氫陷阱，必須制止。
原材料組織均勻，非金屬夾雜物小、少并細化，可使脫氫效果增加。氫的消除随回火溫度的升高，氫逸出量增加。受各種因素影響，對有力學性能要求的自攻螺釘、自攻自鑽螺釘、高強度墊圈，盡量選擇較高的回火溫度回火，淬火後立即回火并适當延長回火時間，可防止氫進入各種陷阱，脫氫效果顯著。
5. 非标異型件設計避免因面積突變、尖缺口等造成大的應力集中。
金屬中的氫會發生應力誘導擴散，氫由低應力區向高應力區擴散并聚集，從而造成高應力區的氫脆。因此，非标異型件設計應避免截面的突變，變截面的台階應有足夠的圓角過渡，降低高應力區的應力集中系數。
6. 高強度螺栓進行防腐處理時，采用低氫脆電鍍或無氫脆塗覆。
對于10.9級螺栓原則上一般不主張電鍍鋅，若采用低氫脆電鍍時，其工藝特點為鍍前需進行消除應力回火，禁止強酸清洗，使用噴砂工藝去除熱處理過程中産生的氧化皮和表面污染物，電鍍過程中嚴格控制電流密度，減少氫粒子的吸附量。對于10.9級或以上級螺栓盡量采用無氫脆塗覆，主要包括機械鍍鋅、粉末滲鋅、鋅鉻塗覆層等。
達克羅塗鍍線
7. 根據緊固件性能要求，選擇适宜的熱處理工藝。
對于高強度鋼而言，在各種不同的顯微組織中，對氫脆敏感性從大到小一般順序為馬氏體、上貝氏體、下貝氏體、索氏體、珠光體、奧氏體。高強度螺栓的機械性能必須通過熱處理淬火加回火完成的，在此過程中采用合适的熱處理工藝制度就顯得尤為重要，它不僅可以改善螺栓的顯微組織，還可以降低螺栓對氫脆的敏感性。如果采用等溫淬火工藝代替淬火加回火，可以得到氫脆敏感性小于回火馬氏體的下貝氏體組織。
8.高強度螺栓在進行表面處理時，應充分考慮防氫脆措施。
高強度螺栓除油時可用用陽極電解除油，為去除螺栓表面氧化皮進行酸洗時，應盡量采用稀的鹽酸并加入緩蝕劑和表面活性劑，嚴禁用強酸洗，同時可研究采用噴砂、噴丸、液體噴砂等機械手段代替酸洗。
9.電鍍件應按标準要求及時驅氫。
對電鍍後的螺栓、螺母進行190～210℃、6～8h的烘烤的熱處理，稱為驅氫處理。其目的是通過加強氫原子的熱運動，使聚集于材料表面的氫原子從工件表面逸出，或内部擴散，降低局部濃度，減輕氫原子的聚集，以防止氫脆斷裂。
驅氫處理并不能使氫原子全部逸出工件表面，氫原子向金屬内部擴散需要的能量比較小，而向外擴散要克服表面能和金屬鍍層的阻礙，所以逸出表面的氫原子隻是一部分。擴散在材料内部的氫原子還有可能在晶格缺陷、晶界或材料内應力大的部位聚集，因此驅氫隻能減輕而不能徹底消除氫脆隐患。
必須注意的是，具有氫脆敏感性組制的高強度螺栓重複電鍍，盡管每次電鍍後都進行驅氫。但氫原子在材料内部會逐漸累積，其氫脆的危險性會越來越高，所以具有氫脆傾向的高強度螺栓不允許多次電鍍。
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