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氢脆的机理

发布时间:2018-03-06 08:59:57.0  点击:226次

  关于氢脆的机理有多种学派:氢吸附理论,压力膨胀理论,氢与位错的交互作用理论,晶格脆化理论,氢化物或富氢相析出理论,氢助断裂(HAC)理论等。每一学派都有一定的实验根据,都能解释某些氢脆现象。

  1952年N.T.佩奇(N.T.Petch)和P.斯特布尔斯(P.Stabk)提出了氢吸附理论。该理论认为,由于氢吸附于裂纹的尖端,使金属的表面能r降低,根据格里菲斯理论,金属的断裂强度σc正比于r1/2,随着表面能r的降低,断裂强度σc也降低,所以引起材料脆化。N.T.佩奇等人认为,裂纹表面由于吸附了氩原子,降低了表面能。当裂纹尖端处于阴极状态时,由于阴极反应,产生大量的氢原子,根据断裂力学的观点,处于高应力裂纹尖端的表面,将有效地促使氢原子的表面吸附。

  氢压力膨胀理论是由C扎普尔(C.ZapHe)在1947年提出的。氢压力理论认为,氢原于在应力作用下向材料内部的气孔、空穴、嵌镶结构、位错等缺陷处偏聚,并且结合成氢分子,在微孔内造成很大压力(可达9.8l×10^5MPa)。内压力与材料的内应力或外加应力迭加,将使裂纹扩展,导致开裂。由于高压受氢原子扩散速度控制,因此裂纹的扩展受氢在材料中的扩散能力所决定。温度较低时,氢脆缓慢,甚至停止。氢压力膨胀理论较好的解释了鱼眼型白点的形成机理。材料受到足够太拉应力时,将在气孔与基体界面处或在夹杂物与基体界面处或夹杂物本身产生显微裂纹,氢原子向裂纹处偏聚,结合成氢分子,产生巨大压力。在外加拉应力作用下,爆炸成局部脆断区,在断口上显示出以气孔或夹杂物为核心的鱼眼型白点。

  氢与位错的交互作用理论认为。聚集在缺口或裂纹前缘三向应力区的氢原予与位错交互作用,使位错被钉扎,不能自由运动,造成局部硬化,基体在外力作用下,不能通过塑性变形使应力松弛,只能以形成裂纹方式释放能量。裂纹进入贫氢区后位错运动恢复自由,可通过塑性变形松弛应力.裂纹停止长大。待裂纹前端氢浓度达临界值时,裂纹重新长大,直至最终断裂。

  1960年A.R.特罗亚诺(A.R.Troiano)提出了晶格脆化理论。他认为,在晶界、相界上偏聚的高浓度固溶氧降低了金属晶格中原子间的结合力。当局部地区的张应力大于被氢降低了的原子间结合力时,破坏了原子间的结合力,便发生脆性断裂。

  1969年D.G.韦斯特莱卡(D.G.westlaka)等人对Zr-H,Nb-H,V-H等合金氢化物引起的脆化进行了研究后,提出了氢化物或富氢相析出理论。含氢的金属材料,只有当氢化物或富氢沉淀相析出时,才引起材料的塑性降低,发生脆化现象。

  1972年C.D.比奇姆(C.D.Beachem)提出了氢助断裂理论。他认为,裂纹前端的塑变程度取决于应力强度因子K和氢的浓度。当K足够太氢浓度足够高时,裂纹前端有较大塑性变形区。若K较小,将发生准解理或沿晶断裂。

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