什么是氫損傷？
氫損傷是指金屬中由于含有氫或金屬中的某些成分與氫反應，從而使金屬材料的力學性能變壞的現象。氫損傷導致金屬材料的韌性和塑性性能下降，易使材料開裂或脆斷。氫損傷與氫脆的含義是不一樣的，氫脆主要涉及金屬材料脆性增加，韌性下降，而氫損傷含義要廣泛得多，除涉及韌性降低、開裂外，還包括金屬的其他物理性能下降。
根據氫引起金屬破壞的條件、機理和形態，氫損傷可分為氫鼓泡、氫脆、氫腐蝕三類。氫鼓泡是由于氫進人金屬內部而使金屬局部變形，嚴重時金屬結構完全破壞。氫脆是由于氫進人金屬內部而引起韌性和抗拉強度下降。氫腐蝕是指高溫下合金中的組分與氫反應，如含氧銅在氫作用下的碎裂，含碳鋼的脫碳造成機械強度下降。
氫損傷是氫與材料交互作用引起的一種現象。氫的來源可分內氫和外氫兩個方面。內氫是指冶煉、鑄造、熱處理、酸洗、電鍍、焊接等工藝過程中引人的氫。外氫或環境氫是指材料本身氫含量很小，但使用中或試驗中從能提供氫的環境吸收的氫，如與含H氫的介質（H2、H2S）接觸或處在腐蝕或應力腐蝕過程中，若存在氫還原的陰極反應，部分氫原子也會進人金屬中。由于氫和金屬的交互作用，氫可以以 H、 H+、 H-、 H2、金屬氫化物、固溶體化合物、碳氫化合物（如 CH4氣體）、氫氣團等多種形式存在。氫在金屬中的分布是不均勻的，易于在應力集中的位錯、裂紋尖端等應力集中的缺陷區域擴散和富集。
氫損傷機理
關于金屬材料的氫損傷機理的理論較多，但是各具特點，且均存在局限性。下面簡要介紹氫脆、氫鼓泡及氫腐蝕的機理。
① 氫脆機理 氫脆是指由于氫擴散到金屬中以固溶態存在或生成氫化物而導致材料斷裂的現象。氫脆機理，大多數認為是溶解氫對位錯滑移的干擾。這種滑移干擾可能是由于氫集結在位錯或顯微空穴的附近，但是精確的機理仍然沒有搞清楚。原子氫與位錯的交互作用理論（氫釘扎理論）認為：因各種原因進入金屬內部的氫原子存在于點陣的空隙處，在應力的作用下，氫原子會向缺陷或裂紋前線的應力集中區擴散，阻礙了該地區的位錯運動，從而造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗塑性變形的能力，也叫做氫釘扎理論。因此，任外力作用下，能量只能通過裂紋擴展釋放，故氫的存在加速了裂紋的擴展。
② 氫鼓泡機理 氫鼓泡是指過飽和的氫原子在缺陷位置析出后，形成氫分子，在局部區域造成高氫壓。引起表面鼓泡或形成內部裂紋，使鋼材撕裂開來的現象，稱為氫誘發開裂或氫鼓泡。
由于腐蝕反應或陰極保護，氫在內表面析出，有許多氫擴散通過鋼壁，在外表面結合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴散到一個空穴內，結合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴散到一個空穴內，結合成氫分子。因為氫分子不能在空穴內向外擴散，導致空穴內的氫濃度和壓力上升。當鋼中氫濃度達到某個臨界值時，氫壓足以誘發裂紋，在氫源不斷向裂紋中提供H2的情況下，裂紋不斷擴展。
③ 氫腐蝕機理 氫腐蝕是指在高溫高壓條件下，氫進入金屬，發生合金組分與氫的化學反應，生成氫化物等，從而導致合金強度下降，發生沿晶界開裂的現象。
氫腐蝕中伴隨著化學反應。如含氧銅與氫原子反應，生成水分子高壓氣體；又如，碳鋼中滲碳體與氫原子反應，生成甲烷高壓氣體。
2H + Cu → 2Cu + H2O
4H + Fe3C → 3Fe + CH4
在高溫高壓含氫條件H下，氫分子擴散到鋼的表面，并產生物理吸附，被吸附的部分氫分子轉變為氫原子，形成化學吸附。然后直徑很小的氫原子會通過晶格和晶界向鋼內擴散。固溶的氫與滲碳體反應生成甲烷，甲烷在鋼中擴散能力很低，聚集在晶界原有的微觀空隙內。反應進行過程中，降低了該區域的碳濃度，其他位置上的碳通過擴散給予不斷補充。這樣甲烷量不斷增多，形成局部高壓，造成應力集中，使該處發展為裂紋，當氣泡在晶界上達到定壓力后，造成沿晶開裂和脆化。
影響氫損傷的因素
① 氫含量影響 氫含量增加，氫損傷敏感性加大，鋼的臨界應力下降，延伸率減小，當H2中含有適量O2、CO、CO2時，將會大大抑制氫損傷滯后開裂過程，因為鋼表面吸附這些物質分子將會造成對氫原子的競爭吸附，阻止了對氫吸附。
② 溫度的影響 隨著溫度的升高，氫的擴散加快，使鋼中含氫量下降，氫脆敏感性降低，當溫度高于65℃時，一般就不易產生氫脆了。當使用溫度過低，氫在鋼中的擴散速度也大大降低，也使氫脆敏感性下降，故氫脆一般在30-30℃范圍易于產生。但對于氫損傷，如氫與合金中成分的反應，如脫碳過程，則必須在高溫下才會發生，這是由于高溫下化學反應活化能會降低。
③ 溶液pH值的影響 酸性條件能夠加速氫的腐蝕，隨著pH值的降低，斷裂時間縮短，當pH>9時，則不易發生斷裂。
④ 合金成分的影響 一般Cr、Mo、W、T、V、Nb等元素，能夠和碳形成碳化物因此可以細化晶粒，提高鋼的韌性，對降低氫損傷敏感性是有利的。而Mn能夠使臨界斷裂應力值降低，故加入鋼中是有害的。
氫損傷的控制措施
① 選用耐氫脆合金 通過調節合金成分和熱處理可獲得耐氫脆的金屬材料。例如最易產生氫脆的材料是高強鋼，在合金中加入鎳或鉬可減小氫脆敏感性，合金中加入Cr、Al、Mo等元素則會在鋼表面形成致密的保護膜，阻止氫向鋼內擴散，加入少量低氫過電位金屬Pt、Pd和Cu等，能吸附氫原子并很使形成氫分子逸出，加人Ti、B、V和Nb等碳化物穩定性元素，將促使鋼中的碳形成穩定碳化物，降低鋼中CH4的生成率。采用含Cu的鋼，則在含有H2S水介質中形成致密的CuS產物，降低氫誘發開裂傾向。馬氏體鋼對氫裂特別敏感，如果將馬氏體結構改變為珠光體結構，則氫裂敏感性降低。碳鋼經過熱處理后生成球化的碳結構，對氫裂有較高的穩定性。
② 添加緩蝕劑或抑制劑 在水溶液中一般采取加入緩蝕劑的方法，抑制鋼中氫的吸收量，減小腐蝕率和氫離子還原速度。例如在酸洗時，應在酸洗液中加入微量錫鹽，由于錫在金屬表面的析出，阻礙了原子氫的生成和滲入金屬。在氣態氫中，一般加入氧作為抑制劑，由于氧的加入，氧原子優先在裂紋尖端吸附，生成了具有保護性的膜，從而阻止了氫向金屬內部的擴散。
③ 合理的加工和焊接工藝 可以通過改善冶煉、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等工藝條件，以減小帶入的氫量。例如工業上常常采用烘烤除氫的方法恢復鋼材的力學性能。采用真空冶煉、真空重熔、真空脫氣、真空澆注等冶金新工藝，提高材質，避免氫的帶入，改善高強鋼滯后斷裂的敏感性。焊接時采用低氫焊條，并保持干燥條件進行焊接。電鍍時使用低氫脆工藝，提高電鍍的電流效率，減少氫的析出，對高強度鋼采用合金電鍍、離子鍍和真空鍍等。酸洗時合理選用緩蝕劑、減小腐蝕率。
氫脆的檢測及預防
氫脆主要有以下兩種檢測方法：預載荷試驗平行支承面法和硅油檢測法。
① 預載荷試驗平面支承面法 預載荷試驗應在適當的試驗夾具上進行。緊固件承受的應力應在其屈服點以內 ,或者處在破壞扭矩的范圍內。該應力或扭矩應至少保持 48h以上。每隔 24h應將緊固件再擰緊到初始應力或扭矩 , 同時檢查緊固件是否因氫脆已發生破壞。該試驗主要用于緊固件 , 其它零件亦可參考使用 , 具體方法見 GB/T 3098.17-2000 《緊固件機械性能檢查氫脆用預載荷試驗平行支承面法》。
② 硅油檢測法 用 200#硅油加熱到 200 ℃±10 ℃恒溫 ,慢慢將試樣置入有硅油的容器中 ,5 分鐘后檢查 , 若無連續氣泡產生 , 則視為合格。亦有資料建議采取石蠟 （180 ℃±10 ℃ ）或凡士林 （120 ℃±10 ℃ ）替代硅油進行檢查。
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信息來源：《金屬電化學腐蝕與防護》、網絡
