高压电器产品运行的可靠性对电网的供电稳定性至关重要，其零部件的氢脆断裂现象具有无征兆性、延时破坏性、无预判性等特点，对工程产品的危害极大。

关于氢脆机制的研究较多，包括氢致弱键理论、吸附诱导位错发射机制、氢化物理论、氢增强局部塑性理论和氢压理论等。目前，广泛认为氢脆是应力、应变和氢扩散浓度共同作用的结果，在原材料的加工冶炼过程和零件的制造过程( 如电镀、磷化、发黑、焊接等) 中，氢原子进入材料内部，在内部残

余应力和外部施加应力的作用下，氢原子向组织中的微孔、位错或相界处扩散富集，当材料中的氢达到一定含量时，内部裂纹会迅速扩展，最终导致材料发生氢脆断裂。

进入金属材料中的氢分为可逆氢和不可逆氢。可逆氢是指进入金属中的氢原子富集在晶格缺陷处（如空位、位错、相界、夹杂等）。氢原子的半径和体积小、质量轻，可通过加热升温的方式去除，以达到消除氢脆的目的。常见的表面处理中，如电镀、酸洗过程中进入金属的氢原子就属于该种类型。不可逆氢是指进入金属中的氢原子在夹杂物界面复合形成氢分子，或与钢中的碳元素发生甲烷化反应，生成新的化合物，这些氢会重新聚集鼓泡，氢鼓泡为不可逆，无法通过加热的方式去除。关于消除氢脆现象的研究较多，但多数集中在去氢工艺，对去氢后的效果，如氢含量变化等的研究较少。

研究人员对金属材料进行发黑和磷化表面处理，然后采用不同的去氢工艺处理材料，对材料去氢后的各项性能进行分析，结果可为金属材料中可逆氢的去除工艺提供参考。

1.试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为42CrMo合金钢，热处理方式为淬火回火，硬度为353~381HB。拉伸试样的结构如图1所示。冲击试样的尺寸（长度× 宽度× 高度）为10mm ×10mm ×55mm，U型缺口，深度为2mm，底部曲率半径为1mm。圆柱形试样的直径为20mm，高度为20mm。

1.2 试验方法

试样经过发黑和磷化表面处理，放置时间分别为1，2，3，4，5h，在相同的去氢条件下对试样进行去氢处理，去氢温度为190℃，去氢时间为3h。另加工一组不去氢处理的试样，共计6组。

按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》，采用电子万能试验机进行拉伸试验。按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，采用摆锤式冲击试验机进行冲击试验。按照GB/T 223.82—2018《钢铁 氢含量的测定 惰性气体熔融-热导或红外法》，采用氧氮氢分析仪测定试样中的氢含量。按照GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验方法 第1部分：试验方法》，采用布氏硬度计进行硬度测试。将试样磨制、抛光后，用4%( 体积分数) 的硝酸乙醇溶液腐蚀，利用光学显微镜观察试样的显微组织。用乙醇溶液反复清洗冲击试样的断口，利用扫描电镜(SEM) 观察断口的微观形貌。

2.试验结果

2.1 金相检验

未进行表面处理、发黑后间隔1h 去氢和发黑后不去氢试样的显微组织形貌如图2所示。由图2可知：3个试样的显微组织均为回火索氏体，说明发黑处理1h后去氢处理过程未能达到相变条件，对材料的组织几乎不产生影响。

2.2 拉伸试验

表面处理后去氢和不去氢试样的抗拉强度测试结果如表1所示。由表1可知：经发黑和磷化两种表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，材料的抗拉强度均呈降低趋势。说明表面处理后，去氢间隔时间越长，氢原子向金属材料内部扩散和富集深度越深，材料组织缺陷处富集的氢原子增多，金属材料内部相界被原子半径很小的氢原子填充，使材料的抗拉强度降低。

表面处理后去氢和不去氢试样的断后伸长率测试结果如表2所示。由表2可知：经发黑和磷化两种表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，材料的断后伸长率均呈降低趋势，且数值较为接近；去氢间隔1h试样的断后伸长率达到15%~16%，去氢间隔2~4h试样的断后伸长率为14%~15%，发黑和磷化后不去氢试样的断后伸长率分别为14.0%和14.3%。说明在表面处理过程中的酸洗时，氢原子进入42CrMo合金钢，材料的塑性对氢原子含量的敏感性较低。

2.3 冲击试验

表面处理后去氢和不去氢试样的冲击吸收能量如表3所示。由表3可知：经发黑和磷化两种表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，材料的冲击吸收能量均呈先升高后降低的变化趋势；在间隔2h时，试样的冲击吸收能量达到最大，在间隔4，5h时，试样的冲击吸收能量与不去氢试样的冲击吸收能量几乎相同；冲击吸收能量最大值和最小值相差不超过10J。说明在表面处理过程中的酸洗时，氢原子在材料内部聚集，存在分布不均现象，不同去氢间隔时间会对试样的冲击吸收能量产生一定影响，去氢间隔超过3h后，与不去氢效果相近。

2.4 断口分析

2.4.1 宏观分析

发黑后去氢间隔1h、发黑后去氢间隔2h和发黑后不去氢试样冲击断口的宏观形貌如图3所示。由图3可知：发黑处理后去氢间隔1h和2h试样的断口表面平整，均未见明显塑性变形，发黑处理后去氢间隔2h试样断口的剪切唇较大，放射区较小；发黑后不去氢试样断口的放射区最大。

2.4.2 微观分析

发黑后去氢间隔2h和发黑后不去氢试样冲击断口的SEM形貌如图4所示。由图4可知：去氢试样断口的韧窝分布均匀，呈韧性断裂特征；不去氢试样的断口韧窝分布不均，呈准解理断裂特征。

2.5 硬度测试

试样硬度与去氢间隔时间的关系如图5所示。由图5可知：发黑后不同去氢间隔时间试样的硬度基本一致，为364~367HB；去氢间1h和2h时，试样的硬度较高，去氢间隔3h以上，试样的硬度几乎没有变化；磷化后不同去氢间隔时间试样的硬度基本一致，为358~361HB，不去氢试样的硬度比去氢试样的硬度略低；采用同一种方式进行表面处理，试样的硬度与去氢的关系不大，发黑试样的硬度比磷化试样的硬度高约5HB。发黑处理温度为140℃，中温磷化温度为65℃，说明越接近室温，材料的氢脆敏感性越高，硬度随之降低。

2.6 氢元素质量分数测试

试样氢元素质量分数与去氢间隔时间的关系如图6所示。由图6可知：经发黑和磷化两种表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，试样的氢元素质量分数均逐渐增加；磷化后去氢间隔1h试样的氢元素质量分数最低；发黑后去氢间隔1h试样的氢元素质量分数最低。经分析，不去氢试样的氢元素质量分数最大。经发黑和磷化处理后，溶入金属中的氢原子富集在晶格缺陷（如空位、位错、晶界、夹杂等）处，可通过加热的方式去氢，在190℃条件下保温3h，可去除发黑和磷化过程中酸洗时进入试样中的氢。

3.结论

（1）经发黑和磷化表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，材料的抗拉强度和断后伸长率均呈降低趋势，不去氢试样的抗拉强度和断后伸长率较去氢试样低；发黑和磷化后去氢间隔1h试样的抗拉强度和断后伸长率最佳。

 （2）经发黑和磷化表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，材料的冲击吸收能量呈先升高后降低的趋势，去氢间隔2h试样的冲击吸收能量最高。

 （3）经发黑和磷化表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，材料的显微组织与不去氢试样相同，均为回火索氏体。

 （4）经发黑和磷化表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，材料的硬度变化小于5HB，去氢间隔时间对材料硬度的影响较小；发黑处理试样的硬度比磷化处理试样的硬度高。

（5）经发黑和磷化表面处理后，随着去氢间隔时间的延长，材料的氢元素质量分数均呈升高趋势。

作者：刘翠翠，李要锋，王延涛，熊明华，张　垒，邵明艳，张明英，李金凤，赵胜楠，赵　柯 

单位：河南平芝高压开关有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2025年第2期