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(jì)。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(jìn)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(jì)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(kuò)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(jìn)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(kuò)散進(jìn)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(kuò)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(qiáng)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(kuò)展的阻力大大降低。一般來說，鋼強(qiáng)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(jī)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(jì)財產(chǎn)損失，危及生命安全，是氫能產(chǎn)業(yè)實(shí)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(jī)、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(qiáng)度鋼，而鋼強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度鋼材作為低壓輸氫管道的材料。采用阻氫涂層或者進(jìn)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(kuò)散進(jìn)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(yùn)輸管道的氫脆問題方面起到了很大作用。