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化工设备失效分析课件(第7章).ppt
2000/11/25 过程装备与控制工程专业整体改革 第七章 金属的氢损伤 第一节 氢损伤的种类 第二节 氢的来源及其在金属中的存在形态 第三节 钢中氢损伤的机理 第四节 影响氢损伤的因素及相应的控制措施 第五节 氢损伤的断裂和断口分析 * * 氢损伤是指与氢的行为有关的金属损伤。金属从冶炼起,经铸、轧、锻、焊、热处理、机加工直到使用的过程中,都难免程度不同地同含氢气氛,含氢化合物(如H2O、H2S、各种酸溶液)乃至纯氢发生接触。于是在有些场合下就会发生金属-氢-力三者先后或共同作用而导致金属破坏。在航空、航天,交通运输,尤其在化工、石油等部门都经常发生氢致损伤并都有由此导致的事故。 氢损伤,按氢导致材料性能退化来看,可分为七大类九种。它们在发生场合、形成机理和产生后果等方面互有区别。 (一)氢脆 包括氢应力开裂、氢环境脆化和氢致拉伸延性丧失三种。 (二)氢化物氢脆 这是指Ti、Zr等金属内部含氢过饱和,沉淀析出氢化物而脆化。 (三)氢鼓泡 发生0~150℃。当钢因腐蚀或电解、电镀而氢活度很高,以致在内部产生的氢气压很高,将金属膨胀起来,成为气泡。 (四)氢腐蚀 发生的温度较氢鼓泡为高,在205℃-595℃。其本质是氢与钢中的碳结合生成CH4而鼓泡。由于其受损的外形与氢鼓泡相似,故早期常将这两者混为一谈。 (五)发纹或白点 指通常发生于大型钢锻件中的一种缺陷。一般认为炼钢或其它工艺加热时溶入的氢在钢冷却时于空隙、微缩孔等缺陷处沉淀析出。过量的氢与锻件冷却的内应力共向作用导致内部微裂,即为白点。 (六)流变特性退化 当钢铁或镍基合金含有内氢或处于氢环境中,其流变强度下降,特别表现在蠕变温度下(T>0.4Tm)的蠕变速率增大。 (七)显微穿孔 在气态氢压特别高如2000大气压(196MPa)以上时(20~100℃),钢中出现特别小的发纹以致气体透出。 在上述各种氢损伤小,常见且研究较多的是发纹或白点、氢应力开裂、氢腐蚀和氢鼓泡。 一、内氢的来源 (一)当冶炼过程和熔化金属时,炉气中可能由于炉料中的有机物、水份分解而含有氢。 (二)金属在高温的加热(如热处理和锻造时)也能吸氢。 (三)焊接时,尤其是电弧焊时,电弧区温度很高,又有电场存在,使含氢的物质如汗、油污等有机物及水、锈、空气中的潮气等,均能分解为氢的原子或质子。 (四)金属受到腐蚀(例如酸洗)时, M(固态金属原子)→Mn++ne- Mn+进入溶液中,ne-留在金属上。此时溶液中的H+到达金属表面,H++e-→H。 (五)电镀时,被镀零件作为阴极,带有来自电源的负电荷。电镀液中的正离子Mn+来到阴极发生中和: Mn++ne- →M 与此同时,H++e-→H,也会进入金属之中。 二、环境氢 三、氢在金属中的存在形态 氢在铁、钴、镍中主要是以金属键同基体作用,即固溶于其中。此时氢原子就将电子交给了基体金属共用,本身成为H+即为质子态。 在Ti、Zr等金属中,H与基体元素易结合成化合物MxHy,较稳定地存在。 在多晶体工程合金如钢铁中,除随机分布的固溶H之处,H还会同其中的各种合金元素溶质原子、晶体缺陷、各种化合物相发生程度不同的结合。 四、氢的扩散 氢气H2和化合态(CH4、氢同金属的稳定化合物)的氢不能在金属中扩散,除非先发生分解。溶解态的氢(即屏蔽的质子)能在金属中较快地扩散。陷井中的氢要获得足以克服势陷井的能量后,才能与其它H同样地参予扩散过程。 氢对钢的损伤机理,大体说来不外乎三种方式:一是氢作为破坏力的来源之一,主要指造成内压或内应力;二是氢使材料弱化、脆化,这里是指固溶氢使金属的表面能、结合能下降以及形成脆弱的氢化物MxHy,第三个方而则是氢参与并促进钢的塑性变形(氢致塑变)和断裂。 一、控制内氢的来源及浓度 (一)采用低氢的炼钢法, (二)焊接时控制氢的措施 (三)正确地进行酸洗: 二、在环境氢损伤情况下,设法阻碍氢进入钢中 三、在设计、制造,选材方面 一、宏观分析 不同类型的氢损伤导致材质劣化的机理不同,所形成的断裂和裂口形式也就不同。氢化物脆性是Ti、Zr等的氢化物沿晶界析出所致。当晶粒粗大和含氢量高时,金属材料整体脆化。在快速载荷下(如冲击)形成全面的脆性断口。在氢含量较低、晶粒细小的情况下,则表现出相当的塑性。 鼓泡多数都平行于板面(图7-5)。一般说来
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