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金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂， 统称为氢脆断裂或氢致开裂。

　　氢 脆

　　金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂， 统称为氢脆断裂或氢致开裂。

　　氢脆的类型

　　一、内部氢脆与环境氢脆

　　氢脆断裂在工程上是一种比较普遍的现象， 但由于材料性能、 加工工艺、 服役环境、 受力状态不同，各种现象有较大差异。

　　根据引起氢脆的氢之来源不同， 氢脆可分成两大类： 一类为内部氢脆， 它是由于金属材料在冶炼、锻造、 焊接或电镀、 酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的； 第二类氢脆称为环境氢脆， 它是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂， 如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。

　　内部氢脆和环境氢脆的区别， 在于氢的来源不同。一般认为， 内部氢脆和环境氢脆在微观范围（原子尺度范围内） ， 其本质是相同的， 都是由于氢引起的材料脆化， 但就宏观范围而言， 则有差别。 因为它们所包含的某些过程（如氢的吸收） 、 氢和金属的相互作用、 应力状态以及温度， 微观结构的影响等均不相同。

　　二、氢脆断口特征

　　内部氢脆断口往往出现“白点” 。 白点又有两种类型： 一种是在钢件中观察到纵向发裂， 在其断口上则呈现白点。 这类白点多呈圆形或椭圆形， 而且轮廓分明， 表面光亮呈银白色， 所以又叫做“雪斑” 或发裂白点，。 这种白点实际上就是一种内部微细裂纹， 它是由于某种原因致使材料中含有过量的氢， 因氢的溶解度变化（通常是随温度降低， 金属中氢的溶解度下降） ， 过饱和氢未能扩散外逸， 而在某些缺陷处聚集成氢分子所造成的。 一旦发现发裂， 材料便无法挽救。 但在形成发裂前低温长时间保温， 则可消除这类白点。

　　另一种白点呈鱼眼型， 它往往是某些以材料内部的宏观缺陷如气孔、 夹渣等为核心的银白色斑点，其形状多数为圆形或椭圆形。 圆白点的大小往往同核心的大小有关， 即核心愈大， 白点也愈大， 白点区齐平而略为下凹。

　　产生鱼眼白点， 除氢和缺陷因素外， 还必须有一定的条件， 即应有一定的塑性变形量和一定的形变速度。 如果经过去氢处理或消除鱼眼核心缺陷， 白点就不能形成； 小于一定的塑性变形量， 或用高的应变速率（如冲击） ， 都不会产生这类白点， 所以它是可以消除的， 故又叫可逆氢脆。 这类氢脆一般不损害材料的强度， 只降低塑性。

　　内部氢脆断口的微观形态， 往往是穿晶解理型或准解理型花样。 在白点区是穿晶解理断裂， 而白点外则为微孔聚集型断裂。

氢脆的断裂可以是穿晶的也可以是沿晶的

　　氢脆和应力腐蚀相比， 其特点表现在：

　　(1) 实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是， 当施加一小的阳极电流， 如使开裂加速, 则为应力腐蚀, 而当施加一小阴极电流, 使开裂加速者则为氢脆。

　　(2) 在强度较低的材料中， 或者虽为高强度材料但受力不大， 存在的残余拉应力也较小， 这时其断裂源都不在表面， 而是在表面以下的某一深度， 此处三向拉应力最大， 氢浓集在这里造成断裂。

　　(3) 断裂的主裂纹没有分枝的情况， 这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。 氢脆的断裂可以是穿晶的也可以是沿晶的， 或者从一种裂纹扩展型式转变成另一种型式， 但就具体的金属-环境组合来说， 氢脆有特定的裂纹形态。 例如， 在淬火回火钢中氢脆常沿着原奥氏体晶界扩展； 而在钛合金中容易形成氢化物， 裂纹是沿着氢化物与基体金属的界面上发展。

　　(4) 氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。

　　(5) 大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外) ， 都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。 氢脆只在一定的温度范围内出现， 出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。 形变速度愈大，氢脆的敏感性愈小， 当形变速率大于某一临界值后， 则氢脆完全消失。 氢脆对材料的屈服强度影响较小，但对断面收缩率则影响较大。

环境氢脆， 首要的一条是尽量不用高强度材料， 村料强度越高， 对氢脆越敏感

　　氢脆是氢原子和位错交互作用的结果。 氢脆的位错理论能成功地解释以下几个重要实验结果：

　　(1) 氢脆对温度和形变速率的依赖关系。

　　氢脆只发生在一定的温度范围和慢的形变速率情况下。 当温度太低时， 氢原子的扩散速率太慢， 能与位错结合形成气团的机会甚少； 反之， 当温度太高时， 氢原子扩散速率太快， 热激活作用很强， 氢原子很难固定在位错下方， 位错能自由运动， 因此， 也不易产生氢脆。 对钢来说， 对氢脆最敏感的温度就在室温附近。 同样， 可以理解形变速率的影响。 当形变速率太高时， 位错运动太快， 氢原子的扩散跟不上位错的运动， 因而显示不出脆性。

　　(2) 氢脆的裂纹扩展特性。

　　高强度钢产生的氢脆， 其裂纹扩展是跳跃式前进的。 先是在裂纹尖端不远的地方出现一个细小的裂纹， 之后这个裂纹在某个时刻突然和原有裂纹连接起来。 新裂纹形核地点一般是在裂纹前沿的塑性区与弹性区的交界上。 氢要扩散到这里并达到一临界浓度时才能形成裂纹， 所需的时间就是裂纹的孕育期。

　　(3) 氢脆氢纹扩展第二阶段的特性。

　　在 dt/da～K 的关系中， 氢脆裂纹扩展出现一水平台， 是谓裂纹扩展第二阶段， 这一阶段裂纹扩展速率恒定， 与应力强度因子无关， 而与温度有关， 说明 dt/da 在这一阶段主要决定于化学因素， 是一典型的热激活过程。 氢原子扩散到裂纹尖端并保持某一浓度是裂纹扩展的决定性因素。 金属材料在氢中裂纹扩展速率主要决定于氢原子在基体中的扩散速率。

　　对于主要是内部氢脆产生的， 要多从严格执行工艺规定着手。 对于环境氢脆， 首要的一条是尽量不用高强度材料， 村料强度越高， 对氢脆越敏感。减少氢脆的办法大致有以下几个方面：

如发现零件去氢效果不好， 产生气泡很多时， 零件必须进行再次去氢处理后方可使用。

　　氢脆是金属由于吸氢而造成材料变脆， 塑性降低， 自行断裂的现象。 材料的这种破裂形式势必造成意想不到的事故， 对安全形成极大威胁。 随着金属材料的广泛应用， 各国对表面处理中的氢脆现象进行了比较多的研究和试验， 并制定了一些标准（例如增加去氢处理， 限制高强度钢的电镀， 改进电镀工艺等）来防止零件受到氢脆的破坏。 这里主要介绍去氢处理的检验方法以及防止产生氢脆的再去氢处理方法。

　　去氢检验方法

　　零件在电镀过程中， 镀层和基体金属的晶格中往往发生渗氢， 此时零件内应力变大， 塑性降低， 容易脆断。 为控制电镀工艺过程中可能产生的渗氢， 防止氢脆， 我国制定了 氢脆性的检验方法， 如延时破坏试验。 但这种方法对试样的加工要求较高， 试验时间长， 实际应用有一定的局限性。

　　实际生产中， 常用的还有模拟试验， 即模仿零件的使用条件， 对被测零件进行疲劳加载试验， 测试零件在使用寿命范围内是否会产生脆断， 来检测是否会产生氢脆。 但是常规的循环疲劳加载周期短， 不足以提供延迟破坏的诱导期， 除非加载周期足够长。

　　目前国外有一种更简单、 更方便的方法检测去氢效果。 防止氢脆现象的产生， 具体方法如下：

　　检验用品： 石蜡或凡士林。

　　检验装备： 烧杯（防火容器） ， 铁架台， 温度计， 石棉网， 酒精灯。

　　检验方法： 用烧杯来盛取适量的石蜡， 置烧杯于铁架台的石棉网上， 点燃酒精灯加热石蜡至完全融化（石蜡可将零件全部浸没） 。 用温度计测量石蜡液的温度， 使之保持在 160～190℃， 在此温度范围内保持 5min 以去除其所含水分。 被测零件经热皂水去油迹并烘干， 放入石蜡液中， 若在 10s 内有气泡产生（氢气在零件表面形成或析出） ， 则证明该零件去氢不好或没有去氢， 若没有气泡产生， 则去氢效果好。 也可用凡士林代替石蜡， 但温度必须控制在（100±5） ℃内。

　　再去氢热处理

　　用以上的去氢检验方法， 如发现零件去氢效果不好， 产生气泡很多时， 零件必须进行再次去氢处理后方可使用。

　　去氢最常用的处理方法是对零件进行低温热处理， 使氢逸出。 去氢的效果与热处理的温度和时间有关系， 必须在电镀完成 4h 之内， 在铬酸盐处理之前进行。 如果零件已经进行铬酸盐处理， 再去氢这显然是违反正常的工艺流程。 因为此时若再去氢参数掌握不好， 会破坏铬酸盐的转化膜， 影响防锈功能。所以选择可行的再去氢温度和时间， 是非常重要的。

　　通常去氢热处理是零件在 190℃～220℃的烘箱内保温 2h 以上， 不同抗拉强度的材料有不同的保温时间。 但这种方法去氢不完全， 并且做过钝化处理的零件进行再去氢， 会使钝化层损坏， 将彩色的钝化层变为白色， 降低防锈等级。 因此必须采用低于 190℃的温度， 适时的保温时间来进行处理。

　　实际生产中， 若氢脆现象不严重， 也可采用将零件放置一段时间的时效去氢处理， 但由于电镀零件的防锈期是一定的， 所以零件不可能放置太长时间。

　　通过生产试验， 我们发现零件在烘箱内 140℃～150℃保温 8h， 然后随炉冷却的方法是比较合适的再去氢方法， 既对钝化层改变不大， 去氢效果也比较好， 具体试验如下：

　　零件材料为 SWPB 的　φ 1. 7mm 线径琴钢丝， 含碳高达 0. 88％。 金相组织为回火屈氏体，抗拉强度 σ b ＝2150MPa。 弹簧零件表面镀锌 6μ m， 钝化等级为 2D， 经检验去氢不完全。用不同热处理温度和时间， 在烘箱内进行再去氢试验， 随炉冷却， 对经过处理的零件进行疲劳加载

　　试验 2 万次和去氢检验，检验记录如下：

　　从表可看出， 这种材料的零件采用(140～150)℃保温 8h 的再去氢热处理工艺是可行的。材料抗拉强度相差较大的两个零件， 这种再去氢方法也都适用。对线径＜2mm， 镀层在 6～12μm 的小型弹簧零件， 在进行钝化前的去氢热处理时， 用上述方法， 也可获得理想的去氢效果。去氢检验适合于小型弹性电镀零件的氢脆检验。 对于检验不合格的零件进行适当的再去氢处理， 可保证零件的安全使用。

六价铬膜经受高于80°C的温度时，会使此涂层中的结晶水蒸发，从而导致涂层退化，耐腐蚀性变差

(1)黄铬

铬膜为黄色，用于腐蚀防护。因此，腐蚀防护铬膜称为黄铬。根据铬的成分、铬酸盐(xCr2O3/yCrO3/zH2O)、膜的主要组成，其色调可能会发生变化。

(2)亮铬（明铬）

铬酸盐处理可以在锌镀层上生成腐蚀防护膜，同时还起到化学抛光剂的作用。利用这种化学抛光作用，可使镀层产生光泽。处理方法分为化学抛光处理和碱液处理。化学抛光法会稍微抑制腐蚀防护膜的生成。碱液处理法可以生成腐蚀防护膜，之后经碱液处理取得光泽的表面。亮铬的腐蚀防护性能优于黄铬。

(3)黑铬

喷镀后，使用含铬酸及黑色处理化学制品添加剂（硝酸银等）的处理液生成铬膜。黑铬不具有显著的耐磨性。

(4)橄榄铬（绿铬）

喷镀后，使用含特殊阴离子的铬酸盐处理液。可以生成耐腐蚀性好的厚膜涂层。这种涂层还称为绿铬。

(5)表面干涉带

使用薄铬膜时，镀层上会留下不可见的透明薄膜。白光照亮此表面时，由于涂膜表面与镀层表面的反射光之间会发生干涉，从而生成彩虹色。这种条纹图案称为干涉带。

(6)表面色散

根据涂层的成分，黄铬的色调各异。由于铬酸盐处理液和操作条件的差异性，其成分可能发生变动。因此，即便是同一批次的零件，各个零件的色调通常也会各不相同。甚至于同一表面，取得色调一致也不是很容易；因此，会有颜色不一致的现象。

(7)白色腐蚀产物

锌的腐蚀产物主要由白色化合物组成，比如碳酸锌。锌置于腐蚀环境中，而铬膜断裂时，就会生成这种腐蚀产物（锌锈）。

(8)三价明铬

三价明铬膜不含六价铬，是喷镀后通过使用三价铬与硅石作为主要组成物的处理液进行处理而生成的。其色调与亮铬相似。

(9)三价黑铬

三价黑铬膜不含六价铬。喷镀后，使用由三价铬和硅石组成的处理液掺杂黑色处理化学制品（如铁、钴等的氧化物）的处理液生成铬膜。

3.类型和等级

如图所示，应按照表面处理方法和镀层厚度划分镀层的类型和等级。

备注：1.通常应对镀层进行铬酸盐处理。

2.喷镀后进行黄铬处理，1型主要用于腐蚀防护。

3.2型是指镀后进行亮铬处理，但其耐腐蚀性优于1型。

4.3型和6型主要用来进行装饰。这种类型通常不得喷涂在手接触的零件上。

5.4型是指喷镀后进行橄榄铬处理，用于提高耐腐蚀性。

6.喷镀后进行三价明铬处理，5型主要用于腐蚀防护。

7.室内件是指那些安置在车身内，不直接或间接受风雨侵蚀的零件。

8.应避免在以下情况下进行喷涂：

(1)使用时需要涂上润滑脂，且不需要腐蚀防护的零件。

(2)不需要喷镀但加工工序中实际喷镀过的不可见零件。

(3)由于机加工原因（如填隙）而采用其它处理方法进行锈蚀防护处理的零件。

9.六价铬膜的主要成分通常表示为xCr2O3、yCrO3和zH2O。经受高于80°C的温度时，会使此涂层中的结晶水蒸发，从而导致涂层退化，耐腐蚀性变差。因此，应小心从事。