关于氢脆的机理有多种理论，介绍如下：

1）弱键理论：这首先是A.R.Troiano^[11]提出来的，后经R.A.Oriani^[12]等人修改。他们认为在裂纹尖端存在三向应力区，应力梯度易造成氢向裂纹尖端的长程扩散，使裂纹处发上局部氢的富集，造成铁原子间的键合力下降。当偏聚氢达到一定的浓度时，材料就会在较低的应力下发生破坏。对于过渡金属，氢使健合力下降的物理本质是氢的1s电子进入了未填满的3d带，从而引起排斥力升高。

2）晶界吸附理论：对于Al等活性金属，在晶界和表面交界处的水分与Al等金属发生反应形成原子氢。氢原子进入晶格中，沿着晶界优先偏聚，导致前沿晶界强度下降引起开裂^[13]。

3）“Mg-H”复合体理论：R.K.Viswanadham等人综合分析了许多学者的工作后，提出了“Mg-H”复合体理论^[14]。该理论认为晶界上存在过量的自由Mg，过量的自由Mg易于与H形成“Mg-H”复合体，这样就导致晶界上H固溶度的增加，氢在晶界上的偏聚将降低晶界的结合能，从而促进了裂纹的扩展。

4）氢致滞后塑性变形理论：当合金的强度和K_I均大于临界值时，氢环境会导致裂纹前端的塑性区尺寸和形变量随时间的增长而增加，即发生氢致滞后开裂和SCC^[10]。

金属材料，尤其是高强度钢，在自然环境中加载静应力（恒力）不超过屈服应力的条件下保持，经过一段时间开始形成裂纹，最终产生断裂的现象称为滞后开裂或断裂。如果是氢气溶入而产生的滞后开裂则称为氢致滞后开裂。最典型的例子是金属在使用时处在氢气气氛下或接触到各种腐蚀介质如泥浆、溶解氧、H₂S、CO₂、溶解盐类、各种酸碱类等含水环境，出现的滞后开裂。其原因是气体状的氢气或表面腐蚀反应形成的氢扩散进入钢中，通过扩散聚集到析出物、杂质等一些缺陷处，由于静应力的作用形成裂纹或鼓泡，同时产生扩散而引起的。

与前面所说的氢脆不同，氢致滞后断裂是在屈服应力之下产生的，没有宏观的塑性变形，所以只能通过静载应力下的微裂纹发生时间和断裂时间的相关关系来观察。静载应力下越大断裂时间越短，反之则越长，当静载应力小到一定程度后就不会出现断裂，其特点与疲劳试验中的加载应力与断裂周期数之间的关系很相似。

图17-17是通过电解方法预充氢的4340钢（Ni-Cr-Mo钢，0.4C，0.3Si，0.8Mn，1.7Ni，0.8Cr，0.3Mo）的滞后断裂特性，即静载应力σ与断裂时间t_f的关系^[15]。此样品1103淬火，658K回火1h，电解充氢后，通过在408K脱氢0.5～24h来调节氢的含量。为了使断裂时间缩短，各样品都预制了同样形状和大小的尖锐裂纹。从图可知

1）σ一定时，t_f随着氢含量的增多而减小。

2）氢浓度一定时，t_f随着σ的增大而减小。

3）导致滞后断裂存在一个最小的临界应力σ_min，当σ＜σ_min，滞后断裂不发生。σ_min随氢含量的增多而减小。(www.daowen.com)

图17-17 预充氢的4340钢的滞后断裂特性

t_f是裂纹扩展到引起断裂所需要的时间。此外从加载应力到最初的微裂纹形成所需的时间成为潜伏期t_i（incubation period），这是影响氢致滞后断裂的重要因素。t_i可以从电阻的变化、声波的发出实验来检测。图17-18是相同的试样通过电阻变化测得σ-t_i曲线，大体与σ-t_f曲线相似，但t_i比t_f小很多^[15]。

钢中的氢致滞后断裂特性可以用图17-19来描述。首先，在t_i＜t_f的潜伏期，环境中的氢在静载应力的作用下通过扩散在缺陷处富集，当氢浓度达到临界值时微裂纹形成；在t_i＜t＜t_f的裂纹生长期，裂纹以一定的速度扩大；最后在t＞t_f时，裂纹达到一定尺寸使没有裂纹处瞬间断裂。

图17-18 微裂纹产生的潜伏期和加载应力的关系

图17-19 氢致滞后断裂的潜伏期t_l和断裂时间t_f的模型图

氢致滞后裂纹形成和长大的先决条件是局部地区氢浓度必须达到一个临界值。一般认为静水应力σ_h=（σ_xx+σ_yy+σ_zz）/3的存在使得原子氢能通过应力诱导扩散并富集。

氢脆机理较为复杂，目前仍无定论，但较为普遍的看法是氢原子向零件内部应力集中的部位扩散而聚集，应力集中部位的金属缺陷多（原子点阵位错、空穴等），氢扩散到这些缺陷处后，聚集的氢原子会变成氢分子，产生巨大的氢气压，当压力超过材料的破坏应力时就会产生裂纹，导致脆性开裂。