钢中氢致开裂与鼓泡现象
氢致开裂(HIC)是一种由材料吸收氢并在内部发生氢气析出所引起的复杂腐蚀损伤。其典型过程包括：环境中的氢进入材料内部→向微观弱点扩散与聚集→局部氢溶解度被突破→分子氢析出萌生裂纹→氢压驱动裂纹扩展。随着工业环境酸性条件增多，HIC已成为管道与压力容器等设备的“隐形杀手”，造成的经济损失极为严重。
这是一种在较低至中等强度的钢中出现的一种脆性开裂形式，其特点是没有附加应力作用，此裂纹扩展主要由裂纹腔体内不断积累的氢气压力推动。根据NACE标准，“hydrogen-inducedcracking”这一术语涵盖了以往的一系列相关损伤形式，如阶梯状开裂、氢致阶梯状开裂、鼓泡开裂和氢压致裂。一般呈板条沿钢表面平行方向扩展，在轧制方向上有夹杂物或带状组织存在。这类裂纹很容易出现在湿H₂S环境中，另外电化学充氢也会产生这种裂纹，HIC出现的形式主要有两种：一个是阶梯状开裂；另一种是鼓泡开裂，如果阶梯状裂纹扩展到钢的壁厚减薄以后，还可能会导致灾难性的失效。
与HIC相关但机理不同的另一类损伤是氢脆(HE)。HE由于有晶格氢存在导致材料延性的下降并且常常在外加载荷作用下才发生，但是却没有氢气逸出，可以理解为是材料的脱氢恢复到一定的程度还可以重新延展，所以它是属于可逆的过程，在材料脱氢之后又能够恢复到原本延性的状态，而HIC是一种不可逆的过程。除了HIC主要发生在非奥氏体钢上以外，还有一些镁合金和铜合金会在充氢以后发生鼓泡这样的状况。值得一提的是，HE和HIC是在工程失效中往往共存，局部存在氢气析出与间歇氢聚集的时候都会影响到裂纹尖端的力学效应，使两种机制在实际过程中难以完全区分。
图1给出了氢致损伤相关因素(HE、HIC、SOHIC)的维恩图，其中显示HIC可在无外加应力作用下发生，而应力导向型HIC(SOHIC)则在外加载荷存在时更易沿垂直壁厚方向扩展。SOHIC常出现在焊缝附近或者热影响区，当外加应力大于其屈服强度30%左右就会发生，在此载荷作用下裂纹重新取向加速扩展且裂纹扩展机制同于HIC。
图1.与氢相关现象的成因维恩图
氢致脆化(HE)的机理在往期文章中已详细报道过(https://www.jctest.vip/newsdetail/1510)，关于HIC的机理可以分为几个重要的步骤：第一是吸氢和捕氢，取决于温度、PH值、水溶液本身成分及H₂S、CO₂等分压，在湿H₂S环境中，铁阳极溶解带来的氢会沉积在金属表面，而H₂S会干扰氢的复合，使更多的氢原子进入到金属内部；之后，氢原子会在铁的四面体位置进行扩散并被分布在材料中的各种陷阱(位错、晶界、非共格析出等)所捕获；微观组织不同(珠光体和马氏体)，氢的捕获效率和扩散行为相差很大；氢含量到达溶解度极限后，氢原子会发生团聚形成H₂气体，是HIC形成的必要条件。
经历所有阶段以后，会发生开裂现象，在可观察阶段中，阶梯状开裂(图2)是最典型的几种之一，开裂是沿着带状组织一阶一阶地向外展开的，呈“阶梯状”，HIC的发生还表现为另一种常见方式，即表面鼓泡(图3)，它实际上是一种比较靠近表面的HIC在内部裂纹被内部氢压逐渐推向外部并将外表面顶起的过程中就能看到这种结构，但因为材料壁厚的原因，薄壁材料很少有比较大的鼓泡出现，如果在充氢情况下，电流较大或者时间过长就会出现“泡上泡”的情形。
图2.阶梯状开裂a）条带状铁素体/珠光体钢中的阶梯状开裂光学显微组织；b）阶梯状开裂示意图
图3.铁表面鼓泡的扫描电子显微镜（SEM）图像
总体而言，HIC是由氢吸收、超溶解度析出，在无应力条件下造成高压氢气开裂的一种材料自裂现象；而HE则是指材料经受应力后在晶格中吸附有晶格氢时产生的材料韧性丧失。由于这两种损伤作用，在不同环境下两者常常同时作用于材料，并可能导致严重的材料失效。此外，HIC还有典型的阶梯状开裂及鼓泡的损伤特征，与材料本身的洁净度、夹杂物形状、微观组织及环境介质有着密切的关系。透彻地研究清楚氢从被吸收、扩散、捕获再到析出的完整过程，才能从根本上提高钢铁材料抗氢性能、避免油气管线以及压力容器发生失效。
