关于氢对不锈钢管的作用，人们很早就有所认识19世纪80年代许多研究者已证实，氢是引起不锈钢管脆性的原因之一。本世纪50年代后，由于高强钢在工业上的广泛应用，以及没备工作环境的恶化，人们对氢脆的研究更加深入了。

人们对钢氢脆性的研究分两个方面，或者说钢的氢脆性可分为两大类：一类是外部氢源引起的氢脆，是钢制构件工作在含氢环境中受氢侵蚀而引起的氢脆，叫第一类氢脆，也叫氢蚀或环境氢脆；另一类是内部氢源引起的氢脆，它是溶解于不锈钢管内部的氢引起的，叫第二类氢脆。第一类氢脆是不可逆的，第二类氢脆是可逆的。一般来讲，除有特别说明外，所谓氢脆乃指第二类氢脆，本章也主要讲第二类氢脆。

氢在钢中的行为及因氢使钢产生的脆化，是引起焊接延迟裂纹的三大要素之一，在焊接界引起了极大的重视，许多研究者进行了大量的研究工作。在氢脆机理、氢脆断口及氢脆影响因素、防止措施方面，取得了较大的进展。

氢在钢中的溶解、扩散和逸出

一，氢在不锈钢中的溶解

当温度高于300℃时，氢在温州不锈钢管中的溶解度完全服从Sieverts定律，即实际上，乎衡常数，在数值上等于101.3kPa，即一标准大气压下氢在钢中的溶解度及常数是一个与金属晶体结构有关的常数。众所周知，氢在a-Fe及y-Fe中的溶解度是不同的，而且晶格缺陷（如疏松、夹杂，气孔、空位、位错、晶界、应力和变形引起的滑移、品格常数的变化等）会成为捕捉氢的“陷阱”。在“陷阱“中氢具有比晶格中更低的能量。因此，“陷阱”的存在将会影响氢在钢中的扩散行为。表2-1及表2-2给出了塑性变形和应力，对阴极渗氢中氢溶解时氢在低碳钢中的溶解度：扩散氢；残余氢)及氢的扩散系数D的影响。可见，变形和应力增加，Co、CR及D都增加。

不同组织时氢在不锈钢管中扩散行为的数据。氢的溶解度CD及扩散系数D在用渗氢法渗氢，用水银法测氢测得的数据中，是依铁索体加珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体的顺序降低。溶入不锈钢管中的氢实际分为两部分，一部分是溶入金属晶格中的原子态及离子态氢，在金属中具有自由扩散的能力；另一部分是被“陷阱”捕获的氢。根据“陷阱”性质的不同，可分为可逆“陷阱”和不可逆“陷阱”。可逆“陷阱”捕获的氢，可以从“陷阱”脱溶，可以参与其它氢行为（如扩散、氢脆等）过程；而不可逆“陷阱”捕获的氢，失去扩散能力，不能参与氢脆行为。不可逆“陷阱”捕获的氢叫做残余氢，其余的氢叫扩散氢。实际上温度升高，不可逆“隧辨”捕获的氢也可扩散逸出。因此，“陷阱”对溶解度的影响隧温度提高而减小。在温度高于5C0～700℃时，“陷阱”对氢溶解度的影响将消失。

氢在钢“陷阱”中的溶解服从一般的气体定律，随温度提高而降低。

二、氢的扩散和逸出

给出了在低合金钢上堆焊铁素体一珠光体及奥氏体焊道后，氢在焊接接头区的分布。焊后瞬间，无论母材和焊缝如何，氢分布都一样。热影响区的氢是在高温时出焊道扩散而来。其后，随时间的推移，焊缝和母材的组合不同，氢分布就有了不同。对F+P焊缝，当母材是非淬硬不锈钢管时，氢从焊缝向母材扩散较容易，熔合区的氢含量随时间增加而减少，无集聚现象；若母材为淬硬钢时，由于热影响区的组织转变推迟，而存在于较低温度的奥氏体及其后转变的马氏体中氢的扩散系数小，所以，在熔合区有氢的集聚。对于奥氏体焊缝，由于氢在焊缝中扩散系数小，不易向热影响区扩散，因此母材无论是否是淬硬钢，热影响区的氢

均会减少，只不过母材为淬硬钢时，热影响区的氢减少慢些。

从图2-1还可看到，不仅不锈钢管中氢浓度分舔隧时间丽变化，而且总的含氢量还因氢的扩散逸出丽逐渐减少，最后扩散氢全部逸出。

描述元素（当然包括氢）在金属中扩散能力的物理量叫扩散系数，．即单位浓度梯度Lr4

《g．cm-3／cm)，单位时间(s)内通过单位截面(CIIl2)的扩散物质量(g)，单位} CII12lS，用D、

表示。可见，扩散系数隧温度增高而增大，成指数线性关系。

2．晶体结构的影响氢的扩散系数与晶体结构有关。铁素体内氢的扩散系数比奥氏体内大2～3个数量级。表2-3也表明了类似的情况。

3．应力和变形的影响，随应力和塑性变形量的增大，溶解时氢的扩散系数增大。

4．晶格缺陷的影响

晶格缺陷就是氢“陷阱”。因晶格缺陷类型及数量不同，则“陷阱”性质不同，“陷阱”激潘能也不同，也就改变了扩散系数。

5．氢的溶解过程和逸出过程的影响

氢“陷阱”会使溶解时的扩散系数增大；逸出时的扩散系数减小（见表2-4），使溶解和逸出时的扩散系数差一个数量级。“陷阱”（如变形和应力）越多，相差越大。

四、氢的溶解度和扩散系数变化的原因

（一）氢的溶解度变化的原因

氢是以间隙式溶解于金属中，提供的空间越大，溶解度越大。由于面心立方晶格比体心立方晶格晶胞的空间大，因而Y-Fe比a-Fe的氢溶解度大。晶格缺陷多（如变形和应力大）时，溶解度也大。

（二）氢的扩散系数变化的原因

氢的扩散系数表明了氢的扩散能力的大小。温度升高，温州不锈钢管系统的能量增加，氢的运动加强，因而，扩散系数增大。

面心立方晶格金属虽然比体心立方晶格提供了较大的空腔，但晶面的原子密度却比体心立方晶格大。因此，氢在面心立方晶格中扩散较慢，即氢在y-Fe中的扩散系数比在口-Fe中小。

晶格缺陷的增加，即氢“陷阱”的增加，将使被“陷阱”所“捕获”的氢所处的能级发生变化，使其能量降低。当氢溶解时，它将放出能量，使未进入“陷阱”中的氢得到能量，加速扩散，因而扩散系数增大。当氢逸出时，“陷阱”中的氢需获得能量才能“逃离”出“陷阱”，因此扩散系数减小。

氢的扩散系数除受温度的影响之外，还有晶体点阵结构及晶格缺陷（即氢“陷阱”j的影响。研究者所测得的扩散系数之所以各不相同，除测定方法不同之外，就是因“陷阱”类型和数量的不同所致。“陷阱”种类不同，氢与“陷阱”作用的能量也不相同。有“陷阱”存在时，氢在其附近的能量是不相同的。氢在正常晶格中扩散的激活能为E。。出于氢的溶解是吸热反应，它在金属中的扩散也是吸热反应，这个反应热即扩散激活能。氢在向“陷阱”溶解时，它的能量将降低，比在正常晶格中的能量低Eb，即进入陷阱”中时将放出E。的能量。这个能量可加速临近“陷阱”晶格中氢的扩散，于是扩散加速，扩散系数增大。但是，在氢从“陷阱”逸出时，却需要再获得能量Ea和鞍点能E。，它才可能从“陷阱”中跳出来，于是就要从其周围得到能量。因此，氢的扩散速度减慢，即扩散系数减小。温州不锈钢管由于变形和应力增加了“陷阱”，所以随变形和应力的增大，氢溶入的扩散系数增大，而逸出的扩散系数减小。

氢“陷阱”的种类不同，其氢在“陷阱”周围的能量也不同，如表2-5所示。可以认为，“陷阱”激活能E。越大，它对氢的扩散系数的影响就越大。当然“陷阱”越多，对扩散系数的影响越大。资料[6]测得纯铁冷加工度为0、16.8%及40%时的表观扩散系数（即有氢“陷阱”存在时的扩散系数）的回归式分别如下(气体常数R的计量单位为J/( mol. K)时）：

上述为渗透法测得的结果，即为氢逸出时的扩散系数。从式(2—4)～式(2-6)可见，随冷加工度的提高，扩散系数下降。又可看到，品格扩散系数大于表观扩散系数，因为即使是缱铁也必然存在品格缺陷。