氢是如何导致钢铁脆化的？
氢脆，这事儿说起来可不是件小事，尤其对咱们玩钢铁的来说，简直是让人头疼的隐患。简单讲，就是钢铁在有氢气环境下，性能会变得很差，轻轻一碰就碎，就像脆饼干一样。这到底是咋回事呢？咱得从头说起。
氢这小家伙，怎么就盯上钢铁了？
氢，这个原子序数最小的元素，轻飘飘的，但是它有个特别的本事，就是钻缝隙。很多金属，尤其是钢，里面并不是完全致密的，会有一些微小的孔隙、晶界、夹杂物等等，这些地方就像给氢开了扇小门。
氢气，在某些条件下，比如高温高压、酸性环境、电化学反应（电镀、酸洗）过程中，很容易产生。这些产生的氢原子，尤其是原子状态的氢（H），特别活跃，它们会像小孙悟空一样，顺着钢的纹理、缺陷，钻进去，渗透到钢的内部。
进了钢的身体，氢都干了些啥？
氢一旦进了钢的“身体”，就开始捣乱了。它主要有这么几种坏招：
1. 占据空间，挤得钢“喘不过气”——氢致延迟断裂（Delayed Fracture）
这是最常见的氢脆表现。当钢材承受应力时，氢原子会聚集在钢材内部的缺陷处，比如裂纹尖端、夹杂物周围。这些氢原子聚集在一起，就会形成一种高压的氢气泡，或者更准确地说，是产生一种“氢应力”。
你可以想象一下，钢材内部本来就有一点点缝隙，现在氢原子像装修队一样，挤到缝隙里，占了位置，还拼命往外推，把缝隙给撑大，甚至把周围的钢原子都往外挤。这种内部的“拉力”会大大降低钢材的抗拉强度，并且还会加速裂纹的萌生和扩展。
更要命的是，这个过程不是一下子完成的，是有一个“延迟”的。也就是说，你可能给钢材加了应力，它当时没事，过了几个小时，甚至几天，内部的氢才慢慢渗透到位，聚集起来，才导致突然断裂。这就是“氢致延迟断裂”，非常阴险。
2. 破坏钢的“筋骨”——晶界氢脆（Intergranular Hydrogen Embrittlement）
钢的微观结构是由很多细小的晶粒组成的，这些晶粒之间就是“晶界”。晶界通常比晶粒内部的原子排列要更不规则一些，也更容易聚集杂质。
氢原子就特别喜欢往晶界上凑，它们在晶界处聚集，会降低晶界处的结合力。你可以想象成，晶界是钢材的“粘合剂”，氢原子把这个粘合剂给“稀释”了，或者说把它“弱化”了。这样一来，当应力作用在钢材上时，裂纹就会优先沿着晶界扩展，导致钢材沿着晶界撕裂，这种断裂叫做“沿晶断裂”，非常可怕，会使钢材失去大部分的韧性。
3. 钻进钢的“细胞”，引起内部“混乱”——氢致应变诱导扩散（HydrogenEnhanced Localized Plasticity, HELP）
还有一种情况，氢原子还会进入钢的晶格内部，尤其是那些处于滑移带（原子层容易滑动的区域）的氢原子。它们的存在会降低位错（钢材内部的一种缺陷，是塑性变形的根源）的运动阻力。
听起来好像是好事？让钢材更容易变形？但实际上，这是在局部区域。氢原子会使得这些滑移带的位错更容易运动，导致局部区域的塑性变形大大增强。这种局部的高度塑性变形，会产生非常大的应力集中，反而加速了微裂纹的形成和扩展。就像一个地方突然变得特别软，结果被周围硬的地方一挤，就更容易坏掉。
4. 跟钢的“朋友”抢地盘——氢与碳化物之间的作用
钢材里面还有碳，碳和铁会形成碳化物，这些碳化物对钢材的强度有很大贡献。在某些条件下，氢原子会优先吸附在碳化物周围，或者与碳化物发生反应，生成甲烷（CH₄）。
甲烷是气体，它在钢材内部形成微小的气泡，就像在钢材里埋了无数个小炸弹。这些气泡的存在，本身就是应力集中点，会大大降低钢材的断裂韧性。而且，这个过程还会消耗碳化物，影响钢材的整体强度。
哪些钢材容易“中招”？
不是所有钢材都对氢这么敏感。一般来说：
高强度钢： 强度越高的钢材，内部的位错密度、缺陷通常越多，而且对氢的敏感性也越高。所以，像一些高强度螺栓、弹簧钢、工具钢，在涉及氢的工艺环境下，要特别小心。
含杂质多的钢： 钢材中的硫、磷等杂质，会在晶界形成夹杂物，这些夹杂物也是氢聚集的好地方，会加剧氢脆。
冶炼和加工过程不当的钢： 如果炼钢过程中混入了氢，或者电镀、酸洗等后处理工艺不当，导致大量氢渗透进去，那么钢材发生氢脆的风险就大大增加。
怎么才能让钢铁不被氢“欺负”？
为了防止氢脆，咱们平时没少下功夫：
控制生产工艺： 尽量在低氢环境下生产和加工钢材，比如避免在有氢气的氛围下高温加热。
选择合适的材料： 尽量选用低强度、低杂质的钢材，或者对氢脆不敏感的特殊钢种。
退火处理： 采用适当的退火工艺，比如“脱氢退火”，可以在一定程度上驱赶掉钢材内部的氢。
电镀前的预处理： 对需要电镀的钢材，要做好酸洗、除油等预处理，避免氢气的产生，或者在电镀过程中加入抑制剂。
设计上的考虑： 在设计高强度钢结构时，要考虑氢脆的风险，避免在高应力区域使用容易发生氢脆的钢材。
说到底，氢脆就像钢材身体里的一个隐形杀手，虽然看不见摸不着，但一旦发作起来，后果不堪设想。所以，在钢材的设计、制造、使用过程中，都得对它提高警惕，做好预防措施，才能保证咱们的钢材“身板”硬朗，用得住。
氢这小家伙，怎么就盯上钢铁了？
氢，这个原子序数最小的元素，轻飘飘的，但是它有个特别的本事，就是钻缝隙。很多金属，尤其是钢，里面并不是完全致密的，会有一些微小的孔隙、晶界、夹杂物等等，这些地方就像给氢开了扇小门。
氢气，在某些条件下，比如高温高压、酸性环境、电化学反应（电镀、酸洗）过程中，很容易产生。这些产生的氢原子，尤其是原子状态的氢（H），特别活跃，它们会像小孙悟空一样，顺着钢的纹理、缺陷，钻进去，渗透到钢的内部。
进了钢的身体，氢都干了些啥？
氢一旦进了钢的“身体”，就开始捣乱了。它主要有这么几种坏招：
1. 占据空间，挤得钢“喘不过气”——氢致延迟断裂（Delayed Fracture）
这是最常见的氢脆表现。当钢材承受应力时，氢原子会聚集在钢材内部的缺陷处，比如裂纹尖端、夹杂物周围。这些氢原子聚集在一起，就会形成一种高压的氢气泡，或者更准确地说，是产生一种“氢应力”。
你可以想象一下，钢材内部本来就有一点点缝隙，现在氢原子像装修队一样，挤到缝隙里，占了位置，还拼命往外推，把缝隙给撑大，甚至把周围的钢原子都往外挤。这种内部的“拉力”会大大降低钢材的抗拉强度，并且还会加速裂纹的萌生和扩展。
更要命的是，这个过程不是一下子完成的，是有一个“延迟”的。也就是说，你可能给钢材加了应力，它当时没事，过了几个小时，甚至几天，内部的氢才慢慢渗透到位，聚集起来，才导致突然断裂。这就是“氢致延迟断裂”，非常阴险。
2. 破坏钢的“筋骨”——晶界氢脆（Intergranular Hydrogen Embrittlement）
钢的微观结构是由很多细小的晶粒组成的，这些晶粒之间就是“晶界”。晶界通常比晶粒内部的原子排列要更不规则一些，也更容易聚集杂质。
氢原子就特别喜欢往晶界上凑，它们在晶界处聚集，会降低晶界处的结合力。你可以想象成，晶界是钢材的“粘合剂”，氢原子把这个粘合剂给“稀释”了，或者说把它“弱化”了。这样一来，当应力作用在钢材上时，裂纹就会优先沿着晶界扩展，导致钢材沿着晶界撕裂，这种断裂叫做“沿晶断裂”，非常可怕，会使钢材失去大部分的韧性。
3. 钻进钢的“细胞”，引起内部“混乱”——氢致应变诱导扩散（HydrogenEnhanced Localized Plasticity, HELP）
还有一种情况，氢原子还会进入钢的晶格内部，尤其是那些处于滑移带（原子层容易滑动的区域）的氢原子。它们的存在会降低位错（钢材内部的一种缺陷，是塑性变形的根源）的运动阻力。
听起来好像是好事？让钢材更容易变形？但实际上，这是在局部区域。氢原子会使得这些滑移带的位错更容易运动，导致局部区域的塑性变形大大增强。这种局部的高度塑性变形，会产生非常大的应力集中，反而加速了微裂纹的形成和扩展。就像一个地方突然变得特别软，结果被周围硬的地方一挤，就更容易坏掉。
4. 跟钢的“朋友”抢地盘——氢与碳化物之间的作用
钢材里面还有碳，碳和铁会形成碳化物，这些碳化物对钢材的强度有很大贡献。在某些条件下，氢原子会优先吸附在碳化物周围，或者与碳化物发生反应，生成甲烷（CH₄）。
甲烷是气体，它在钢材内部形成微小的气泡，就像在钢材里埋了无数个小炸弹。这些气泡的存在，本身就是应力集中点，会大大降低钢材的断裂韧性。而且，这个过程还会消耗碳化物，影响钢材的整体强度。
哪些钢材容易“中招”？
不是所有钢材都对氢这么敏感。一般来说：
高强度钢： 强度越高的钢材，内部的位错密度、缺陷通常越多，而且对氢的敏感性也越高。所以，像一些高强度螺栓、弹簧钢、工具钢，在涉及氢的工艺环境下，要特别小心。
含杂质多的钢： 钢材中的硫、磷等杂质，会在晶界形成夹杂物，这些夹杂物也是氢聚集的好地方，会加剧氢脆。
冶炼和加工过程不当的钢： 如果炼钢过程中混入了氢，或者电镀、酸洗等后处理工艺不当，导致大量氢渗透进去，那么钢材发生氢脆的风险就大大增加。
怎么才能让钢铁不被氢“欺负”？
为了防止氢脆，咱们平时没少下功夫：
控制生产工艺： 尽量在低氢环境下生产和加工钢材，比如避免在有氢气的氛围下高温加热。
选择合适的材料： 尽量选用低强度、低杂质的钢材，或者对氢脆不敏感的特殊钢种。
退火处理： 采用适当的退火工艺，比如“脱氢退火”，可以在一定程度上驱赶掉钢材内部的氢。
电镀前的预处理： 对需要电镀的钢材，要做好酸洗、除油等预处理，避免氢气的产生，或者在电镀过程中加入抑制剂。
设计上的考虑： 在设计高强度钢结构时，要考虑氢脆的风险，避免在高应力区域使用容易发生氢脆的钢材。
说到底，氢脆就像钢材身体里的一个隐形杀手，虽然看不见摸不着，但一旦发作起来，后果不堪设想。所以，在钢材的设计、制造、使用过程中，都得对它提高警惕，做好预防措施，才能保证咱们的钢材“身板”硬朗，用得住。
网友意见
氢脆从各个角度有各种解读。
从内均能的角度呢，晶体铁本身在常压下是不形成氢化铁的，简单的说，氢化铁的自由能比铁和氢的总量高。
铁+氢=金属氢化物
左端很难移动到右端，但是当晶体铁存在应力，铁原子的能力就超过了晶体铁的平均值，这时左端的自由能增加，形成金属氢化物的倾向增加。
晶体铁存在应力吗？当然存在。在晶界和位错存在巨大的微观应力。晶界和位错处的铁原子能量很高，就可以产生金属氢化物。
我不会量子场论，就不用第一性原理解了。内行可以试一下，用第一性原理，肯定能解出，超高应力下会形成金属氢化物。
——截止到这里，氢脆似乎也就和应力腐蚀差不多。问题是，金属氢化物它不是形成了就在那，它不像氧或者氯之类的形成稳定的金属化合物：
金属氢化物形成→局部微裂→微裂处能量降低→应力传导到裂纹附近的裂纹尖端、金属氢化物分解→氢离开祸害新裂纹尖端的铁原子。
或者说金属氢化物根本不需要分解出游离氢，直接把氢（质子）传递给临近的、高应力区的铁原子。
氢原子如同一把刀一样裁开晶界
氢脆的严重的零件还没受力，自己就在内应力下裂开了。我老师见过螺栓平放在地上，没受力，自己就裂开跳起来，撞到天花板上
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