金属材料氢脆试验依据ISO标准的检测流程分析

氢脆是金属材料在氢作用下发生的脆性断裂失效，广泛存在于航空航天、石油化工等领域，严重威胁结构安全。ISO（国际标准化组织）制定的氢脆试验标准（如ISO 11114、ISO 15630等），为全球检测提供了统一技术依据。本文聚焦依据ISO标准的氢脆试验全流程，从样品制备、氢充电到失效分析，拆解各环节的操作要点与标准约束，助力行业人员精准执行试验，确保结果的可靠性与可比性。

试验样品的制备与预处理：ISO标准的尺寸与状态要求

样品制备是氢脆试验的基础，ISO标准对样品的尺寸、形状及初始状态有严格规定。以常用圆棒拉伸试样为例，ISO 11114-1要求直径5-10mm，工作段长度为直径的4倍（如直径6mm时工作段长24mm），肩部采用圆弧过渡避免应力集中；平板试样厚度1-3mm、宽度10-20mm，工作段表面粗糙度需≤Ra0.8μm。

预处理需去除表面氧化皮与油污：用180-600目砂纸逐级打磨后，无水乙醇超声清洗10-15分钟。存在加工应力的样品需应力消除：钢铁材料150-200℃保温2小时，铝合金120-150℃保温1小时，避免加工应力与氢脆应力叠加。

初始氢含量需符合要求：ISO 15630规定高强度钢试验前氢含量≤0.5ppm，超标需真空退火（800℃、10⁻³Pa下保温4小时）除氢。若初始氢过高，会掩盖充氢影响，导致结果偏差。

样品表面状态需一致：同一组试验需采用相同打磨与清洗流程，避免表面粗糙度差异影响氢吸收速率——如Ra0.4μm样品比Ra1.6μm样品氢吸收量高约20%，直接干扰延迟断裂时间测量。

氢充电系统的搭建与参数设定：ISO 11114-2的核心要求

氢充电系统需包含电解池（聚四氟乙烯材质）、直流电源、参比电极（饱和甘汞电极SCE）与辅助阳极（铂片）。电解溶液需匹配材料：钢铁用0.5mol/L H₂SO₄+0.25g/L硫脲（催化氢吸附），铝合金用0.1mol/L NaCl+0.1mol/L NaOH，钛合金用1mol/L HCl+0.1mol/L NaAsO₂（注意砷化物防护）。

电流密度与充电时间需适配材料氢吸收能力：高强度钢（抗拉≥1200MPa）用1mA/cm²、24小时，低强度钢用3-5mA/cm²、12小时。电流过高会导致样品表面起泡，过低则氢含量不足。

溶液温度需控制在25±2℃（恒温水浴），温度波动会影响氢扩散速率——高温加速扩散导致氢分布不均，低温降低吸附效率延长充电时间。溶液需磁力搅拌（200-300rpm），保证溶质浓度均匀，避免浓度极化。

充电设备需稳定：直流电源纹波系数≤0.5%，避免电流波动导致氢吸附速率不稳定。若溶液中出现沉淀或颜色变化，需及时更换，防止杂质影响氢渗透。

氢充电过程的动态监控：电位与氢渗透的实时追踪

电位监测是关键：样品作为阴极，电位需保持在-0.8至-1.2V（相对于SCE），此区间氢吸附效率最高且无阳极溶解。若电位高于-0.8V，氢吸附量显著降低；低于-1.2V，会产生氢气气泡阻碍氢渗透。

氢渗透测试采用Devanathan-Stachurski双电解池法（ISO 17081）：样品置于两电解池间，充电侧充氢，检测侧阳极氧化扩散氢并记录渗透电流。渗透电流稳定时，说明样品达到氢饱和，可停止充电。

需避免杂质干扰：溶液用分析纯试剂与去离子水配制，防止氯离子、重金属离子吸附在样品表面。若渗透电流突然下降，可能是溶液浓度降低，需补充溶质；若样品表面起泡，需降低电流密度。

充电结束后需立即转移样品：避免氢自然释放（放氢）——高强度钢充电后2小时内固溶氢下降约30%，需1小时内完成后续试验。

延迟断裂试验的加载与控制：ISO 15630的操作要点

延迟断裂试验有恒载荷与恒位移两种方式：恒载荷用拉伸试验机加载至屈服强度的60%-80%，保持载荷恒定记录断裂时间；恒位移用刚性夹具固定位移，监测应力衰减——应力衰减越快，氢脆敏感性越高。

加载速率需缓慢：恒载荷1-5mm/min，恒位移0.1-0.5mm/min，避免动态应力导致氢扩散不均。加载过快会促进氢向应力集中区扩散，缩短断裂时间，高估氢脆敏感性。

试验环境需控制：室温23±5℃、相对湿度≤60%，避免湿度影响样品表面状态。模拟服役环境时，高温试验用加热炉（温度精度±2℃），腐蚀环境用腐蚀箱（通入规定浓度H₂S等介质）。

加载过程需监测状态：恒载荷试验若1000小时未断裂，判定“无断裂”；恒位移试验每小时记录应力，直至衰减至初始值50%或断裂。断裂位置需在工作段，若在夹具或肩部，结果无效需重测。

氢含量的同步检测：ISO 14227的热脱附法应用

热脱附法（TDS）是ISO 14227规定的氢含量检测方法：将样品加热至400-1000℃，释放氢后用气相色谱检测。样品需切成5-10mm小块，去氧化皮后放入石英管，真空度≥10⁻³Pa避免污染。

加热速率控制在5-10℃/min：慢速率可区分固溶氢（100-300℃脱附）与陷阱氢（300-600℃脱附）。固溶氢易扩散导致氢脆，陷阱氢稳定——高强度钢固溶氢≥0.2ppm时，断裂时间显著缩短。

检测需同步：充电后1小时内完成，避免放氢导致结果偏低。例如，铝合金充电后30分钟内检测，氢含量测量误差≤5%；若延迟至2小时，误差会扩大至15%以上。

结果解读需结合材料特性：如钛合金中陷阱氢（如α-β相界氢）含量高，氢脆敏感性低；而奥氏体不锈钢中固溶氢易聚集，氢脆敏感性高。

断口形貌表征：ISO标准下的氢脆失效确认

扫描电子显微镜（SEM）是断口分析的核心工具（ISO 14805）。氢脆断口典型特征为沿晶断裂（冰糖状晶界）或准解理断裂（河流花样、解理台阶），无明显塑性变形。

断口处理需保持原始状态：若有油污，用无水乙醇超声清洗5分钟，避免损伤形貌。观察需从断裂源开始：断裂源多位于表面划痕或内部夹杂处，扩展区可见沿晶/准解理特征，最终断裂区有少量韧窝。

需区分氢脆与其他失效：应力腐蚀断裂（SCC）断口有腐蚀产物与Cl/S元素富集（EDS检测），韧性断裂断口布满韧窝。例如，高强度钢氢脆断口沿晶比例＞80%，SCC沿晶比例50%-70%且有腐蚀坑。

断口分析需结合氢含量：若氢含量≥0.3ppm且断口为沿晶断裂，可确认氢脆失效；若氢含量低但断口有韧窝，则可能是机械断裂。

试验结果的重复性与误差控制：ISO标准的验证要求

重复性验证需做3个平行样，变异系数（CV）≤10%（CV=标准偏差/平均值×100%）。若CV超标，需检查样品制备（如尺寸差异）、充电参数（如电流波动）或加载速率（如试验机未校准）。

误差控制需统一参数：同一批次材料、相同预处理工艺、稳定充电参数（自动恒流电源、恒温水箱）、校准后的试验机（载荷误差≤1%）。

需记录所有试验数据：样品编号、材料成分、预处理工艺、充电参数（电流、时间、温度）、加载参数（应力、速率）、环境条件（温度、湿度）、氢含量、断口分析结论，保留至少5年以便追溯。

异常结果需排查：若某样品断裂时间远短于其他，需检查表面是否有裂纹、内部是否有夹杂——如0.5mm深划痕会使断裂时间缩短50%，此类样品需剔除重测。