警惕！各种设备断裂事故频发，严重威胁人们生产财产安全

第二次世界大战初期，英国皇家空军一架Spitpie战斗机因发动机主轴断裂坠毁，导致飞机损毁、机组人员死亡。此事震惊了英国政府和民众。1975年，美国芝加哥一家炼油厂突然断裂一根15cm的不锈钢管，引起爆炸起火，导致长期停产。法国在开采克拉克气田时，管道破裂，引发持续一个月的大火。我国在开发大型油田时，因管道破裂而发生井喷，损失惨重。在军事领域，还有：美国“北极星”导弹因固体燃料发动机机壳破裂而无法发射，美国空军F-11战斗机在空中突然坠毁。汽车因传动轴突然断裂而翻车，机床上切削时刀具突然断裂等事故不计其数。

这些灾难性事故瞬间发生，毫无征兆，毫无预警地爆发，严重威胁着人们的生产和财产安全。起初，科学家们对事故原因众说纷纭，不知所措。后来，经过长期的观察和研究，终于找出了这一系列恶性事故的罪魁祸首——氢脆。

1. 揭开氢脆断裂的神秘面纱

氢脆通常表现为钢的塑性明显下降，脆性急剧增加，在静载荷作用一段时间后（往往低于材料的σb），有破裂破坏的趋势。众所周知，氢在钢中有一定的溶解度，在炼钢过程中，钢水凝固后，钢中还会残留微量的氢，通常生产的钢中氢含量都在很小的范围内，随着温度的下降，氢在钢中的溶解度很快下降，就会有过饱和的氢析出。氢是钢中扩散速度最快的元素，原子半径最小，在低温区仍有很强的扩散能力。如果在冷却过程中有足够的时间让钢中的氢逸出表面或钢中氢含量较低，则不容易产生氢脆。 如果冷却速度较快、钢件截面尺寸较大或者钢中氢含量较高，钢件中心处的氢来不及逸出，过剩的氢就会进入钢中的一些缺陷处，如枝晶间隙、孔隙等。如果缺陷附近氢的聚集产生了强大的内压，就会导致微裂纹的萌生和扩展。这是因为缺陷吸附氢原子后，表面能大大降低，导致钢失效所需的临界应力急剧下降。一般来说，钢的氢脆发生在室温附近的-50~100℃之间。温度太低时，氢的扩散速度太慢，聚集量少，不会析出；高温时，氢会被“烤”出钢外，不易发生氢脆损伤。 随着科学的发展，人们对氢脆机理发现了新的观点：氢促使裂纹尖端区域发生塑性变形，塑性变形又促使氢在此区域浓缩，从而降低此区域的断裂应力值，促使微裂纹的产生，而裂纹的扩展还伴随着塑性流变。

2、影响钢的氢脆断裂的因素

人们经过长期的研究发现，影响钢的氢脆断裂的因素主要有以下三个方面：

（1）环境因素

当钢处于含氢量较高的环境中，如水、酸或氢气中时，氢通过吸附在钢表面扩散，导致钢变脆。同时，氢分压对氢裂纹的扩展速度有明显的影响，提高氢压会增加氢脆的敏感性。

（2）强度因子

一般来说，钢的强度越高，对氢脆的敏感性就越大。国外一些发达国家为了防止氢脆，已明确规定“高强度钢不允许酸洗”。化学成分通过强度影响钢的氢脆断裂。这是因为氢和S、P等原子在晶界处的偏聚，将使晶界结合力减弱，从而导致晶界首先断裂。

（3）热处理

人们发现，钢的氢脆与其组织和热处理有密切的关系。实验和事实表明，组织的热力学稳定性越差，对氢脆的敏感性就越大。例如珠光体和铁素体的氢脆倾向比马氏体小得多，而呈网状分布的高碳马氏体最为敏感。

3. 防止氢脆的热处理

在热处理产业链中，多个工序都需要酸洗，如淬火后回火前酸洗，回火后喷砂前酸洗，蒸汽处理或氧氮化前酸洗，TiN等表面强化前酸洗，电镀前酸洗等。不同阶段酸洗的目的不同，有的是为了去除氧化皮，有的是为了提高工件表面活性，有的是为了减小尺寸。传统的酸洗工艺繁琐、时间长、成本高、耗能大、污染严重、劳动条件恶劣，更可怕的是它对钢材的内在质量造成极大危害——氢脆。为此，改进酸洗工艺、采取防氢渗措施成为几代人关注的问题。

（1）酸洗工艺的改进

钢铁表面的锈蚀主要为铁的氧化物、氢氧化物等，这些锈蚀的去除主要是靠表面活性剂等酸成分的协同作用来完成的，作用过程大致为溶解、剥离。为了克服常规酸洗带来的缺陷，可进行如下改进。

第一，降低酸液浓度。一般对钢铁件采用30%~35%HC1(质量分数)，去除氧化皮速度快，但消耗大，酸雾重，对基体的过腐蚀也强，难以保证产品质量。如采用低浓度酸洗工艺，在降低酸耗、改善环境、提高工件表面质量等方面，具有明显的经济效益和社会效益。该工艺利用氧化皮的孔隙性，在润湿剂的作用下，酸液迅速渗透到基体与氧化皮界面处，发生Fe+2HC1==2FeC12+H2↑化学反应，利用氢气的机械剥落，达到去除氧化皮、清洁表面的效果。 由于氧化物在稀酸中反应缓慢，尿素等缓蚀剂在暴露的基体上有很强的吸附性，既可以防止过度腐蚀，又可以减少酸的无用消耗，同时也可以减少工件中的氢渗透量。

其次，充分利用混酸的综合特性。生产中，常用盐酸或硫酸除锈，但二者的性能不同。若将盐酸和硫酸按适当的比例混合，形成混合溶液，则能兼具二者的功能，既能提高除锈速度，又能降低操作温度。

其次，使用多功能、高效的除油除锈剂。近年来，“二合一”等多种除油除锈剂和快速除锈剂已得到广泛应用，这是钢材酸洗工艺的一大进步。

最后采用专门的酸洗工艺，根据不同工件的形状、用途、热处理状态等采用不同的酸洗工艺，也就是说酸洗工艺也应该个性化。

（2）防止氢脆的措施

酸洗过程中氢渗透是一个相当复杂的过程，涉及到腐蚀的共轭步骤、氢在金属表面吸附析出和浸入金属的平行和串联步骤以及应力腐蚀的深层次问题。研究表明，直接电化学测量酸洗条件下的氢渗透是研究酸洗过程中氢渗透行为的可行方法。为了降低钢件氢渗透程度，可采取以下防氢渗透措施。

首先介绍多功能缓蚀剂，多功能缓蚀剂兼具缓蚀和抑雾功能，不但能加快酸洗过程，而且具有很强的抑制氢渗透作用，缓蚀率高。

第二，控制酸洗条件。酸洗液中氢向钢中的渗透量与酸度关系不大，而与酸洗温度、酸洗时间的平方根成正比。建议采用酸浓度较高、酸洗时间很短的酸洗方式。在酸洗高速钢淬火件等高强度钢时更应注意这个问题。具体生产单位应制定严密的工艺，控制酸浓度、酸温度、酸洗时间三大因素。

第三，重视应力腐蚀。应力腐蚀开裂是指工件在静态拉应力和特定的腐蚀环境的共同作用下，发生脆性开裂的过程。对于调直后的淬火件，不管是采用正冲击还是负冲击调直，在酸洗前必须对所有调直后的工件进行消除应力处理，以消除发生氢脆开裂或脆化现象的较大概率。许多单位都有过深刻的教训，但还未引起足够的重视。

四、防止金属杂质污染酸洗液。实践发现，当酸洗液中含有P、As、Sn、Hg、Pb、Zn、Cd等金属杂质时，会促使氢渗透量的增加，加剧氢脆断裂的倾向。

五、氢驱处理。凡是经过酸洗的工件，最好都进行180~200℃×3~4h的氢驱处理。

4.氢脆试验方法

如果由于热处理或表面处理而产生氢渗透，应在尽可能短的时间内将其驱除，以防止部件因氢脆而失效。氢脆也可以通过试验方法来确定。

航空部此前已制定了氢脆试验标准（HB5067）以供参考，该标准规定采用延迟失效方法对抗拉强度≥1275MPa的结构钢和经过电镀、化学覆盖工艺处理后的高强度钢进行氢脆性能试验和鉴定。

（1）方法原理

结构钢和高强度钢由于氢和应力的作用，在受到小于屈服强度的静载荷作用一定时间后，将发生早期脆性断裂。

（2）氢脆试样技术要求

主要有四点：

首先，样品材料。应采用与产品零件相同的材料，并经过热处理至抗拉强度的上限（硬度与抗拉强度之间存在一定的对应关系）。

二、试件的形状和尺寸。延迟破坏试件的形状和尺寸应符合下图的规定。除图中标明的尺寸公差外，其他尺寸公差应符合国家几何公差的有关规定。

三、试样的制作。根据图纸，沿材料纤维方向加工试样，粗加工后热处理至要求的抗拉强度，再精加工至规定尺寸。用中软细颗粒氧化铝砂轮磨削缺口，磨削时缺口根部半径应光滑。磨削后检查投影，确保缺口尺寸符合图纸要求。逐个测量缺口根部直径（图中φ4.5±0.05mm），并记录数量。

间隙指示

第四，涂层前应对试样进行磨削应力消除，应力消除最高温度应比工件回火温度低10~20℃，同时应避开材料的回火脆性区，保证应力消除后试样硬度不下降。

（3）试验方法

试件应按所要求的电镀工艺制备和施镀，镀层试件缺口处镀层厚度不得小于12~18μm。镀层应一次性完成，不允许退镀或重复电镀。镀后试件应尽快进行脱氢处理（时间不超过3h），脱氢规范应符合工件规定或钢材的电镀工艺规范。

延迟破坏试件可根据总载荷大小，在适当吨位的耐久试验机上进行试验，加载时，试件的横截面积按镀层前缺口根部尺寸计算，试件静载荷数为未镀层试件缺口拉伸强度的75%，记录断裂时间。

未涂层试样的缺口拉伸强度应为3至5个试样的平均值。

（4）结果评估

取6个相等试件进行延迟破坏试验，若在规定荷载作用下200h内未发生断裂，则认为该涂装后钢材的抗氢脆性能合格，若有一个试件在200h内发生断裂，则认为该钢材的抗氢脆性能不合格。