小型零件的去氫檢驗方法與再去氫熱處理.doc

氫 脆金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的斷裂，統(tǒng)稱為氫脆斷裂或氫致開裂。一 氫脆的類型及特征（一）內(nèi)部氫脆與環(huán)境氫脆氫脆斷裂在工程上是一種比較普遍的現(xiàn)象，但由于材料性能、加工工藝、服役環(huán)境、受力狀態(tài)不同，各種現(xiàn)象有較大差異。根據(jù)引起氫脆的氫之來源不同，氫脆可分成兩大類：一類為內(nèi)部氫脆，它是由于金屬材料在冶煉、鍛造、焊接或電鍍、酸洗過程中吸收了過量的氫氣而造成的；第二類氫脆稱為環(huán)境氫脆，它是在應(yīng)力和氫氣氛或其它含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種脆性斷裂，如貯氫的壓力容器中出現(xiàn)的高壓氫脆。內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆的區(qū)別，在于氫的來源不同，而它們的脆化本質(zhì)是否相同，目前尚未定論。一般認(rèn)為，內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆在微觀范圍（原子尺度范圍內(nèi)），其本質(zhì)是相同的，都是由于氫引起的材料脆化，但就宏觀范圍而言，則有差別。因為它們所包含的某些過程（如氫的吸收）、氫和金屬的相互作用、應(yīng)力狀態(tài)以及溫度，微觀結(jié)構(gòu)的影響等均不相同。（二）氫脆斷口特征內(nèi)部氫脆斷口往往出現(xiàn)“白點”，如圖6-7所示。白點又有兩種類型：一種是在鋼件中觀察到縱向發(fā)裂，在其斷口上則呈現(xiàn)白點。這類白點多呈圓形或橢圓形，而且輪廓分明，表面光亮呈銀白色，所以又叫做“雪斑”或發(fā)裂白點，如圖6-7a所示。這種白點實際上就是一種內(nèi)部微細(xì)裂紋，它是由于某種原因致使材料中含有過量的氫，因氫的溶解度變化（通常是隨溫度降低，金屬中氫的溶解度下降），過飽和氫未能擴散外逸，而在某些缺陷處聚集成氫分子所造成的。一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)裂，材料便無法挽救。但在形成發(fā)裂前低溫長時間保溫，則可消除這類白點。另一種白點呈魚眼型，它往往是某些以材料內(nèi)部的宏觀缺陷如氣孔、夾渣等為核心的銀白色斑點，其形狀多數(shù)為圓形或橢圓形。圓白點的大小往往同核心的大小有關(guān)，即核心愈大，白點也愈大，白點區(qū)齊平而略為下凹，圖6-7b即為以焊接缺陷（氣孔）作為核心的魚眼型白點。產(chǎn)生魚眼白點，除氫和缺陷因素外，還必須有一定的條件，即應(yīng)有一定的塑性變形量和一定的形變速度。如果經(jīng)過去氫處理或消除魚眼核心缺陷，白點就不能形成；小于一定的塑性變形量，或用高的應(yīng)變速率（如沖擊），都不會產(chǎn)生這類白點，所以它是可以消除的，故又叫可逆氫脆。這類氫脆一般不損害材料的強度，只降低塑性。內(nèi)部氫脆斷口的微觀形態(tài)，往往是穿晶解理型或準(zhǔn)解理型花樣。在白點區(qū)是穿晶解理斷裂，而白點外則為微孔聚集型斷裂。二 氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在： (1)實驗室中識別氫脆與應(yīng)力腐蝕的一種辦法是，當(dāng)施加一小的陽極電流，如使開裂加速,則為應(yīng)力腐蝕,而當(dāng)施加一小陰極電流,使開裂加速者則為氫脆。 (2)在強度較低的材料中，或者雖為高強度材料但受力不大，存在的殘余拉應(yīng)力也較小，這時其斷裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此處三向拉應(yīng)力最大，氫濃集在這里造成斷裂。 (3)斷裂的主裂紋沒有分枝的情況，這和應(yīng)力腐蝕的裂紋是截然不同的。氫脆的斷裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者從一種裂紋擴展型式轉(zhuǎn)變成另一種型式，但就具體的金屬-環(huán)境組合來說，氫脆有特定的裂紋形態(tài)。例如，在淬火回火鋼中氫脆常沿著原奧氏體晶界擴展；而在鈦合金中容易形成氫化物，裂紋是沿著氫化物與基體金屬的界面上發(fā)展。 (4)氫脆斷口上一般沒有腐蝕產(chǎn)物或者其量極微。 (5)大多數(shù)的氫脆斷裂(氫化物的氫脆除外)，都表現(xiàn)出對溫度和形變速率有強烈的依賴關(guān)系。氫脆只在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，出現(xiàn)氫脆的溫度區(qū)間決定于合金的化學(xué)成分和形變速率。形變速度愈大，氫脆的敏感性愈小，當(dāng)形變速率大于某一臨界值后，則氫脆完全消失。氫脆對材料的屈服強度影響較小，但對斷面收縮率則影響較大。 三 5.2.2 氫脆機理及其防止辦法 氫脆是氫原子和位錯交互作用的結(jié)果。氫脆的位錯理論能成功地解釋以下幾個重要實驗結(jié)果： (1)氫脆對溫度和形變速率的依賴關(guān)系。 氫脆只發(fā)生在一定的溫度范圍和慢的形變速率情況下。當(dāng)溫度太低時，氫原子的擴散速率太慢，能與位錯結(jié)合形成氣團的機會甚少；反之，當(dāng)溫度太高時，氫原子擴散速率太快，熱激活作用很強，氫原子很難固定在位錯下方，位錯能自由運動，因此，也不易產(chǎn)生氫脆。對鋼來說，對氫脆最敏感的溫度就在室溫附近。同樣，可以理解形變速率的影響。當(dāng)形變速率太高時，位錯運動太快，氫原子的擴散跟不上位錯的運動，因而顯示不出脆性。 (2)氫脆的裂紋擴展特性。 高強度鋼產(chǎn)生的氫脆，其裂紋擴展是跳躍式前進的。先是在裂紋尖端不遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)一個細(xì)小的裂紋，之后這個裂紋在某個時刻突然和原有裂紋連接起來。新裂紋形核地點一般是在裂紋前沿的塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界上。氫要擴散到這里并達到一臨界濃度時才能形成裂紋，所需的時間就是裂紋的孕育期。 (3)氫脆氫紋擴展第二階段的特性。 在dt/daK的關(guān)系中，氫脆裂紋擴展出現(xiàn)一水平臺，是謂裂紋擴展第二階段，這一階段裂紋擴展速率恒定，與應(yīng)力強度因子無關(guān)，而與溫度有關(guān)，說明dt/da在這一階段主要決定于化學(xué)因素，是一典型的熱激活過程。氫原子擴散到裂紋尖端并保持某一濃度是裂紋擴展的決定性因素。金屬材料在氫中裂紋擴展速率主要決定于氫原子在基體中的擴散速率。 減少氫脆的辦法大致有以下幾個方面： 對于主要是內(nèi)部氫脆產(chǎn)生的，要多從嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)定著手。對于環(huán)境氫脆，首要的一條是盡量不用高強度材料，村料強度越高，對氫脆越敏感。 表6-2 應(yīng)力腐蝕和氫脆的相互比較應(yīng) 力 腐 蝕氫 脆1. 裂紋從表面開始； 2. 裂紋分叉，有較多的二次裂紋； 3. 裂紋源區(qū)有較多的腐蝕產(chǎn)物覆蓋著； 4. 裂紋源可能有一個或多個。不一定在應(yīng)力集中處萌生裂紋源； 5. 一般為沿晶斷裂，也有穿晶解理斷裂； 6. 必定要有拉伸應(yīng)力（或殘余拉應(yīng)力）作用； 7. 只有合金中發(fā)生，純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕； 8. 一種合金只對少數(shù)特定化學(xué)介質(zhì)敏感，濃度可以很低； 9. 無應(yīng)力時，合金對腐蝕環(huán)境可能是惰性的； 10. 與材料的軋制方向無關(guān)； 11. 陰極保護能明顯減緩應(yīng)力腐蝕開裂。1. 裂紋從內(nèi)部開始；2. 裂紋幾乎不分叉，有二次裂紋；3. 腐蝕產(chǎn)物較少；4. 裂紋源可能是一個或多個。多在三向應(yīng)力區(qū)萌生裂紋源；5. 多數(shù)為沿晶斷裂，也可能出現(xiàn)穿晶解理或準(zhǔn)解理斷裂；6. 內(nèi)部氫脆不一定要有拉應(yīng)力作用；7. 合金和純金屬均可能發(fā)生；8. 只要在含氫的環(huán)境或在能產(chǎn)生氫的情況（如酸洗、電鍍）下都能發(fā)生；9. 必須含有氫，強度越高，所需的含氫量越低；10. 對軋制方向敏感；11. 陰極保護反而促進高強鋼的氫脆傾向。小型零件的去氫檢驗方法與再去氫熱處理ABB新會低壓開關(guān)有限公司（廣東新會529100）李秀蘭ExaminationMethodofDehydrogenationandItsRetreatmentforSmall-sizedPartsLiXiulan氫脆是金屬由于吸氫而造成材料變脆，塑性降低，自行斷裂的現(xiàn)象。材料的這種破裂形式勢必造成意想不到的事故，對安全形成極大威脅。隨著金屬材料的廣泛應(yīng)用，各國對表面處理中的氫脆現(xiàn)象進行了比較多的研究和試驗，并制定了一些標(biāo)準(zhǔn)（例如增加去氫處理，限制高強度鋼的電鍍，改進電鍍工藝等）來防止零件受到氫脆的破壞。本文主要介紹去氫處理的檢驗方法以及防止產(chǎn)生氫脆的再去氫處理方法。1去氫檢驗方法零件在電鍍過程中，鍍層和基體金屬的晶格中往往發(fā)生滲氫，此時零件內(nèi)應(yīng)力變大，塑性降低，容易脆斷1。為控制電鍍工藝過程中可能產(chǎn)生的滲氫，防止氫脆，我國制定了氫脆性的檢驗方法，如延時破壞試驗2。但這種方法對試樣的加工要求較高，試驗時間長，實際應(yīng)用有一定的局限性。實際生產(chǎn)中，常用的還有模擬試驗，即模仿零件的使用條件，對被測零件進行疲勞加載試驗，測試零件在使用壽命范圍內(nèi)是否會產(chǎn)生脆斷，來檢測是否會產(chǎn)生氫脆。但是常規(guī)的循環(huán)疲勞加載周期短，不足以提供延遲破壞的誘導(dǎo)期，除非加載周期足夠長3。目前國外有一種更簡單、更方便的方法檢測去氫效果。防止氫脆現(xiàn)象的產(chǎn)生，具體方法如下：檢驗用品：石蠟或凡士林。檢驗裝備：燒杯（防火容器），鐵架臺，溫度計，石棉網(wǎng)，酒精燈。檢驗方法：用燒杯來盛取適量的石蠟，置燒杯于鐵架臺的石棉網(wǎng)上，點燃酒精燈加熱石蠟至完全融化（石蠟可將零件全部浸沒）。用溫度計測量石蠟液的溫度，使之保持在160190，在此溫度范圍內(nèi)保持5min以去除其所含水分。被測零件經(jīng)熱皂水去油跡并烘干，放入石蠟液中，若在10s內(nèi)有氣泡產(chǎn)生（氫氣在零件表面形成或析出），則證明該零件去氫不好或沒有去氫，若沒有氣泡產(chǎn)生，則去氫效果好。也可用凡士林代替石蠟，但溫度必須控制在（1005）內(nèi)。2再去氫熱處理用以上的去氫檢驗方法，如發(fā)現(xiàn)零件去氫效果不好，產(chǎn)生氣泡很多時，零件必須進行再次去氫處理后方可使用。去氫最常用的處理方法是對零件進行低溫?zé)崽幚恚箽湟莩?。去氫的效果與熱處理的溫度和時間有關(guān)系，必須在電鍍完成4h之內(nèi)，在鉻酸鹽處理之前進行。如果零件已經(jīng)進行鉻酸鹽處理，再去氫這顯然是違反正常的工藝流程。因為此時若再去氫參數(shù)掌握不好，會破壞鉻酸鹽的轉(zhuǎn)化膜，影響防銹功能。所以選擇可行的再去氫溫度和時間，是非常重要的。通常去氫熱處理是零件在190220的烘箱內(nèi)保溫2h以上，不同抗拉強度的材料有不同的保溫時間。但這種方法去氫不完全，并且做過鈍化處理的零件進行再去氫，會使鈍化層損壞，將彩色的鈍化層變?yōu)榘咨档头冷P等級。因此必須采用低于190的溫度，適時的保溫時間來進行處理。實際生產(chǎn)中，若氫脆現(xiàn)象不嚴(yán)重，也可采用將零件放置一段時間的時效去氫處理，但由于電鍍零件的防銹期是一定的，所以零件不可能放置太長時間。通過生產(chǎn)試驗，我們發(fā)現(xiàn)零件在烘箱內(nèi)140150保溫8h，然后隨爐冷卻的方法是比較合適的再去氫方法，既對鈍化層改變不大，去氫效果也比較好，具體試驗如下：零件材料為BEKAERT-SWPB的1.7mm線徑琴鋼絲，含碳高達0.88。金相組織為回火屈氏體，抗拉強度b2150MPa。彈簧零件表面鍍鋅6m，鈍化等級為2D，經(jīng)檢驗去氫不完全。用不同熱處理溫度和時間，在烘箱內(nèi)進行再去氫試驗，隨爐冷卻，對經(jīng)過處理的零件進行疲勞加載試驗2萬次和去氫檢驗，每一種試驗方法采用50個樣件，檢驗記錄見表1。表1彈簧零件不同熱處理溫度和時間再去氫效果去氫處理工藝彈簧斷裂比率（）去氫檢驗結(jié)果鈍化層等級變化保溫溫度保溫時間h190170150150140140246881020100000有很多氣泡有氣泡很少氣泡沒有氣泡沒有氣泡沒有氣泡由2D變白由2D變到1A無變化無變化無變化由2D變到1A從表1可看出，這種材料的零件采用(140150)保溫8h的再去氫熱處理工藝是可行的。我們在異型彈簧墊圈做如上再去氫處理，材料牌號為60Si2Mn，墊圈厚度0.5mm，外徑12mm，含碳量為0.560.64，抗拉強度b900MPa。零件表面鍍鋅12m。使用時由氫脆引起斷裂率高達80，去氫檢驗氣泡很多。為防止氫脆，采取150保溫8h再去氫處理，此時，鈍化層沒有任何色澤上的改變。同時經(jīng)過疲勞試驗后，斷裂率為0。材料抗拉強度相差較大的兩個零件，這種再去氫方法也都適用。對厚度或線徑2mm，鍍層在612m的小型彈簧零件，在進行鈍化前的去氫熱處理時，用上述方法，也可獲得理想