鈦的氫脆及應(yīng)力腐蝕斷裂

鈦是46億歲的老人了，鈦及鈦合金既能耐高溫，又能抗腐蝕，既有高強(qiáng)度，又有低密度，生物相容性又好，他作為萬能金屬一時(shí)獨(dú)占鰲頭，人們稱鈦為金屬中的戰(zhàn)斗機(jī)，生物金屬，未來金屬，這些名號令人眼花繚亂。

不過鈦是46億歲的老人了。在這些眼花繚亂的稱號背后，他清楚的知道隱藏著什么。他想提醒人類的是，多關(guān)注自然和宇宙，讓自己的欲望少一些，這其實(shí)是挺嚴(yán)肅的話題。是什么引起了他的這番思考呢，當(dāng)然是他是冶煉過程。前已述及，鈦的冶煉異常困難，因?yàn)樗幕瘜W(xué)性質(zhì)太過活潑，跟元素周期表里的大多數(shù)元素都能反應(yīng)。其實(shí)鈦的整個(gè)冶煉過程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，要想把他分離提煉出來可不是一件簡單容易的事情。拿鈦的金紅石礦來說，人類需要先用氯把他從TiO2那里拽出來，生成TiCl4，然后再用比鈦更活潑可愛的鎂，把他從TiCl4里還原出來，然后再在真空的環(huán)境中把蒸餾，鈦被蒸餾出來渾身疏松而多孔，形似海綿，這便是他名字的由來了。

鈦的整個(gè)冶煉過程是個(gè)電解還原的過程，需要用到大量的電，從來沒有哪種金屬的冶煉用過如此之多的電，以至于他的價(jià)格幾乎是用電費(fèi)堆出來的——每得到一頓海綿鈦，需要3000～4000 kW?h的電量，工業(yè)用電價(jià)格，1度電0.989元，僅僅電費(fèi)都快趕上售價(jià)了，又因?yàn)樗羞^程都要在特殊設(shè)備，特殊環(huán)境(因?yàn)殁伜芑畈?中進(jìn)行，因此他的冶煉成本及其高昂，高昂的成本意味著鈦的冶煉對環(huán)境極不友好，其實(shí)鈦冶煉廠就是一個(gè)巨大的化工廠，高耗能，高排放，高污染。

鈦金屬的應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆是兩種既經(jīng)常相關(guān)而又不同的現(xiàn)象。在高溫高壓氫氣中結(jié)構(gòu)件的開裂，既是HE，又是SCC；水溶液中應(yīng)力腐蝕時(shí),若陰極過程析出的氫對斷裂起了決定性作用，則這種破壞既是SCC，也是HE。

應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC) 是應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用下引起的金屬斷裂現(xiàn)象（見金屬腐蝕）。它有三個(gè)主要特征:①應(yīng)力腐蝕斷裂是時(shí)間的函數(shù)。拉伸應(yīng)力越大,則斷裂所需時(shí)間越短；斷裂所需應(yīng)力一般都低于材料的屈服強(qiáng)度。這種應(yīng)力包括外加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力、殘余應(yīng)力、腐蝕產(chǎn)物的楔形應(yīng)力等。②腐蝕介質(zhì)是特定的，只有某些金屬-介質(zhì)的組合（見表）情況下，才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。若無應(yīng)力，金屬在其特定腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速度是微小的。③斷裂速度在純腐蝕及純力學(xué)破壞之間，斷口一般為脆斷型。

氫脆(HE) 又稱氫致開裂或氫損傷，是一種由于金屬材料中氫引起的材料塑性下降、開裂或損傷的現(xiàn)象。所謂“損傷”，是指材料的力學(xué)性能下降。在氫脆情況下會(huì)發(fā)生“滯后破壞”，因?yàn)檫@種破壞需要經(jīng)歷一定時(shí)間才發(fā)生。氫的來源有“內(nèi)含”的及“外來”的兩種：前者指材料在冶煉及隨后的機(jī)械制造（如焊接、酸洗、電鍍等）過程中所吸收的氫；而后者是指材料在致氫環(huán)境的使用過程中所吸收的氫（見金屬中氫）。致氫環(huán)境既包括含有氫的氣體,如H2、H2S；也包括金屬在水溶液中腐蝕時(shí)陰極過程所放出的氫。