鈦的氫脆特點(diǎn)和規律
2022/2/28 6:47:52
鈦的吸氫和氫脆是鈦制設備腐蝕破壞的重要原因，即使上述的腐蝕形態(tài)中也難以完全排除氫的影響。鈦是一個(gè)活性很強的金屬，非常容易吸氫，當氫含量達到 80～150mg/kg 時(shí)，利用金相顯微鏡就可以觀(guān)察到針狀氫化物相析出。隨著(zhù)氫含量進(jìn)一步提高，氫化物的數量增加，體積增大。鈦的吸氫形成氫化物導致腐蝕破壞的情況大致有如下幾種情況。
?、偃绻麣涞臄U散速度較慢，氫化物主要集中在鈦表面，則表面氫化物發(fā)生脆性剝落從而引起腐蝕加快。
?、跉湓趹ψ饔孟聰U散到應力場(chǎng)集中的位置形成氫化物，由于內部微裂紋在應力作用下的擴散貫通，形成氫致開(kāi)裂。
?、垅伝w全面大量吸氫，導致鈦材的氫脆破壞。上述三種情形，尤其是后兩種情形，并不是腐蝕加快的問(wèn)題，因此對于鈦制設備的破壞常常是致命的。
國內工業(yè)實(shí)踐中有許多鈦制設備氫脆破壞的事例，氯乙烯生產(chǎn)裝置、尿素合成塔和真空制鹽一效罐等都有氫脆破壞的典型事例，還有更多的氫脆事故伴生在其他的腐蝕形態(tài)中。
綜合國內外研究和工業(yè)實(shí)踐，鈦的氫脆具有如下特點(diǎn)和規律。
?、兮伒臍浯嗥茐膶儆诼然镄蜌浯嗥茐?，氫化物型氫脆的特點(diǎn)是在高速變形下才出現脆性斷裂，而在低速變形時(shí)，一般可能不出現氫脆敏感性。當鈦中氫含量高于0.03%時(shí)才會(huì )影響斷面收縮率，而氫含量低于0.05％時(shí)，拉伸強度、屈服強度和延伸率基本不變，這表明常規力學(xué)性能對于判斷鈦的氫脆是不敏感的。
?、?鈦被鐵器擦傷和污染的位置，由于鈦的表面鑲嵌了鐵的微粒，常常是點(diǎn)蝕的引發(fā)點(diǎn)，又是氯進(jìn)入的突破口。而固溶在鈦中的雜質(zhì)鐵，甚至作為第二相存在的富鐵相，對于點(diǎn)蝕或吸氫和氫脆都并不敏感。
?、垅伒臍浯嗝舾行耘c點(diǎn)蝕一樣，表面預處理狀態(tài)的影響很大。陽(yáng)極氧化或熱氧化的表面抗吸氫和氫脆的能力最強，酸洗（硝酸加氫氟酸）或退火的表面次之，機械磨光或機械噴砂的表面抗吸氫和氫脆的能力最差。這表明處于活性狀態(tài)的鈦總是容易吸氫的，鈦表而完整面的氧化膜是阻止吸氫從而防止氫脆的有效屏障。
?、茆佄鼩溥_到固溶度以后，可以形成氫化物相（即 TiHx）析出。而鈦的α和β兩種形態(tài)的氫的固溶度是不同的，請見(jiàn)表2-18。
表2-18 氫在不同溫度下兩種鈦結構下的固溶度
?、葩伒奈鼩渫ǔＭㄟ^(guò)下列途徑發(fā)生：高溫（＞300℃）的氫氣氛或含氫氣氛；縫隙腐蝕或還原性無(wú)機酸腐蝕時(shí)產(chǎn)生的初生態(tài)氫；電偶腐蝕或陰極保護時(shí)產(chǎn)生的氫；海水電解中鈦處于陰極狀態(tài)（電位＜0.70V)。為此，為了確保鈦不致吸氫，至少應該將鈦在海水中的電位控制在-0.70V以上。
?、掴伒臍浯喹h(huán)境可以是氫氣氛或者電解過(guò)程中初生態(tài)氫，前者為分子氫（即氫氣)，后者是初生態(tài)的原子氫，因此具有更強的化學(xué)活性，更容易被鈦吸收。在鈦腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的氫，或者電解時(shí)處于陰極狀態(tài)產(chǎn)生的氫就是初生的原子態(tài)的氫。
?、邭錃夥罩械乃繉τ阝伒奈鼩淞坑绊懞艽?。表2-19 是在316℃，5.5MPa的氫氣氛中，水含量對于鈦吸氫的影響。鈦在干的氫氣氛中吸氫最強，添加一定量的水顯著(zhù)降低吸氫量。一般說(shuō)來(lái)，氫氣氛中含水量達到 2％（質(zhì)量分數）阻抑吸氫效果已經(jīng)相當明顯，這個(gè)規律與干氯氣中水含量對于著(zhù)火的影響是可以對應的。
氫氣中水的質(zhì)量分數/%0. 5]1.02.03. 3
?、嘣趐H值位于3～12范圍中，鈦的氧化膜是穩定的，它是氫滲透的有效屏障。在上述pH范圍內，短期陰極充氫試驗沒(méi)有發(fā)現吸氫現象。如果pH值在上述范圍之外，預計氧化膜是不穩定的，因此保護作用很低，氧化膜保護性的缺損有利于氫進(jìn)入鈦基體。長(cháng)期試驗表明在中性鹽水中，陰極電位低于-0.7V時(shí)能夠引起氫吸收。在非常大的陰極電流密度下（電極電位比-1.0V SCE 更低），可以加速氫吸收并最終導致室溫下的氫脆現象。
