哪些材料容易发生氢脆？避免高强度部件出现代价高昂的故障

从宏观层面来看，最容易发生氢脆的材料是高强度金属合金。虽然高强度钢是最臭名昭著的，但这种现象也影响着关键的工程材料，如钛合金、镍基合金，甚至一些高强度铝合金。共同的因素是高拉伸应力、易受影响的微观结构和原子氢源的结合。

理解的核心原则是，氢脆并非由单一因素引起，而是由一个“致命三角”条件造成：易受影响的材料、存在拉伸应力（无论是施加的还是残余的）以及暴露于氢源。去除这三个元素中的任何一个都可以防止失效。

理解易感性的关键因素

氢脆是一种复杂的失效机制。在列出具体材料之前，了解它们为何易受影响至关重要。风险取决于材料内部结构和外部环境的相互作用。

材料的内部晶体结构和强度水平是最重要的内在因素。通常，合金的强度和硬度越高，其抗氢脆性就越差。

具有体心立方（BCC）晶体结构（如铁素体和马氏体钢）的材料极易受影响。这种结构允许小氢原子快速扩散，但溶解度低，这意味着氢不会“被困”，可以很容易地移动到高应力区域引发裂纹。

相比之下，具有面心立方（FCC）结构（如奥氏体不锈钢，例如304、316）的材料具有更好的抵抗力。FCC晶格对氢的溶解度更高，扩散速率更低，有效地将氢原子困在危害较小的位置。

氢原子迁移到高三轴拉伸应力区域，例如裂纹尖端、缺口，甚至是材料内部的微观缺陷。应力是氢集中的驱动力。

这种应力可以来自施加的载荷（例如，受拉的螺栓连接）或来自焊接、成形或研磨等制造过程中留下的残余应力。

如果没有可被吸收的原子（H）氢源，材料就不会发生脆化。这种氢可以在制造或使用过程中来自许多来源。

常见的来源包括电镀、使用潮湿电极的焊接、腐蚀（特别是在“酸性”H₂S环境中）、酸洗等清洁过程，以及直接暴露于高压氢气。

根据上述原则，我们可以根据材料的相对易感性进行分类。

这是受影响最广泛且研究最多的类别。当钢的抗拉强度超过950-1000 MPa（140-145 ksi）或硬度高于约HRC 32时，易感性成为一个主要问题。

例子包括马氏体钢、沉淀硬化（PH）不锈钢（如高强度条件下的17-4PH）以及高强度紧固件（8级/10.9级及以上）。

钛合金，如常见的Ti-6Al-4V，非常容易发生氢脆。它们可以通过两种机制失效：溶解氢引起的应变速率依赖性脆化或脆性氢化钛相的形成。

锆合金在核工业中广泛使用，也极易形成脆性氢化物。

虽然其FCC结构比钢具有更好的抵抗力，但高强度镍合金，如Inconel 718或Waspaloy，仍然易受影响，特别是在高强度水平下。在有氢气的环境中，尤其是在高温下，脆化是一个值得关注的问题。

在选择材料时，工程师面临着机械性能和环境抵抗力之间的基本冲突。

最关键的权衡是强度与氢抵抗力。使钢更强的工艺（例如，淬火和回火以形成马氏体微观结构）也使其对氢的脆弱性显著增加。这是高强度紧固件和结构部件的主要设计限制。

由相同合金制成的两个部件，由于其加工方式不同，可能具有截然不同的易感性。一个因焊接或不当热处理而具有高残余应力的部件，将比经过适当应力消除的部件脆弱得多。

对于在充氢环境（如电镀）中使用的易受影响材料，缓解措施并非可选。电镀后氢烘烤（例如，在190°C / 375°F下烘烤数小时）是标准且必要的程序，以在部件造成损坏之前将吸收的氢排出。

您的材料选择必须以对使用环境和机械要求的清晰理解为指导。

如果您的主要关注点是在受控环境中实现最大强度：高强度钢是有效的选择，但您必须严格控制制造过程（电镀、焊接），并考虑进行后加工烘烤以消除任何吸收的氢。
如果您的主要关注点是在富氢环境（例如，酸性气体）中的可靠性：优先选择固有抵抗力强的材料，如合格的镍合金、双相不锈钢或特定的奥氏体牌号，即使这意味着接受较低的强度上限。
如果您需要在强度、重量和氢暴露之间取得平衡（例如，H2燃料系统）：奥氏体不锈钢（316L）是常见的基准。更高级的应用可能需要专门为氢服务设计和测试的合金或涂层。
如果您必须使用易受影响的高强度紧固件：始终指定并验证已按照ASTM F1941等标准执行了适当的电镀后氢脆消除烘烤。

最终，预防氢脆是主动设计和严格过程控制的问题。

材料类别	相对易感性	主要特点
高强度钢	极易受影响	在抗拉强度 >950 MPa (HRC 32+) 时易受影响；BCC晶体结构允许氢快速扩散
钛合金（例如，Ti-6Al-4V）	极易受影响	易形成脆性氢化物；在航空航天和医疗应用中至关重要
镍基高温合金（例如，Inconel 718）	中度至高度	FCC结构提供一定的抵抗力，但在高强度水平和高温下易受影响
高强度铝（7xxx系列）	低至中度	通常具有抵抗力，但可能易受涉及氢的应力腐蚀开裂影响
奥氏体不锈钢（304、316）	低抵抗力	FCC结构具有高氢溶解度，提供良好的固有抵抗力