7氫脆失效模式防治常用原則及方法解析

氫脆失效模式防治常用原則及方法關(guān)鍵詞：氫脆；失效模式；高強(qiáng)度；熱處理；防治原則

摘要：氫脆開(kāi)裂是環(huán)境氫從工件外表沿晶界進(jìn)駐晶界并向內(nèi)集中，氫原子在此聚攏，并在應(yīng)力作用下最終導(dǎo)致沿晶界開(kāi)裂。針對(duì)氫脆問(wèn)題，結(jié)合緊固件產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)踐中的失效事例，爭(zhēng)論了緊固件產(chǎn)品常見(jiàn)的氫脆失效模式，提出防治氫脆的10項(xiàng)原則，供設(shè)計(jì)或工藝人員參考。1.前言

氫脆是工程失效分析中常提起的一詞，顧名思義，即氫導(dǎo)致金屬材料脆性〔變脆〕。但從理論上而言，氫不但可使金屬材料變脆，也可以使金屬材料變韌，即氫致軟化也可以硬化。在失效分析中，特殊是斷口分析中，開(kāi)裂并不總是以脆性消失，也可以消失韌窩方式斷裂。氫脆又稱氫致開(kāi)裂或氫損傷。氫脆開(kāi)裂是環(huán)境氫從工件外表沿晶界進(jìn)駐晶界并向內(nèi)集中，氫原子在此聚攏，并在應(yīng)力作用下最終導(dǎo)致沿晶界開(kāi)裂。氫脆的危害很大，為保證產(chǎn)品的牢靠性，掌握和預(yù)防氫脆是一項(xiàng)困難和長(zhǎng)久的工作。氫脆的機(jī)理很簡(jiǎn)單，氫脆斷裂現(xiàn)象也有多種，國(guó)際國(guó)內(nèi)存在多種氫脆理論，如位錯(cuò)釘軋理論、晶界聚攏理論、氫氣泡理論、脆化相理論等等。每一種理論各支持局部現(xiàn)象，到目前為止還沒(méi)有一種統(tǒng)一的理論能解釋全部氫脆現(xiàn)象，這也是人類生疏自然的不斷探素的未知過(guò)程。2.預(yù)防氫脆的原則

氫在鋼材內(nèi)部的聚攏程度取決于氫含量、氫脆敏感組織、應(yīng)力集中、應(yīng)變速率4個(gè)因素的交互作用，難于量化確定其門檻，所以目前還沒(méi)有準(zhǔn)確界定是否發(fā)生氫脆的標(biāo)準(zhǔn)，以及針對(duì)性的解決措施，對(duì)有氫脆隱患的緊固件產(chǎn)品只能實(shí)行綜合性防治措施。近年來(lái)緊固件產(chǎn)品典型氫脆失效案例較多，依據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，以下結(jié)合案例總結(jié)提煉出預(yù)防氫脆的原則，可有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員或工藝人員開(kāi)展氫脆防治工作參考。2.1在緊固件設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先選擇高強(qiáng)度、高韌性、抗延遲斷裂性能好的材料

對(duì)于有高強(qiáng)度要求的10.9級(jí)或以上級(jí)螺栓，要盡量避開(kāi)選用含碳馬氏體強(qiáng)化鋼，如40Cr、40Mn2鋼，而優(yōu)先選擇CrMo、CrMoV系鋼，如10.9級(jí)螺栓可考慮選用38SiMnVB、35CrMoA和42CrMoA鋼；12.9級(jí)螺栓選用35CrMoV、45CrNiMoV和42CrMoVNb鋼,此類材料的主要強(qiáng)化機(jī)制為以彌散析出的其次相強(qiáng)化，氫脆敏感性低，有較高的斷裂韌度和抗延遲斷裂力量。2.2選用高強(qiáng)度鋼時(shí)，應(yīng)保證材料潔凈度要求鋼中P、S、Sn、As等雜質(zhì)元素易于在晶界偏聚，增加材料的氫脆敏感性，含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性低。對(duì)同種材料而言，鋼的強(qiáng)度等級(jí)越高，對(duì)氫脆越敏感。因此，對(duì)于10.9級(jí)或以上級(jí)螺栓，應(yīng)選用冶煉質(zhì)量級(jí)別相對(duì)較高的鋼，保證材料有較好的潔凈度，鋼材內(nèi)部缺陷偏析、疏松不允許存在，并選擇材料綜合性能最好的強(qiáng)度水平。2.3熱處理工藝制定時(shí)，應(yīng)綜合考慮10.9級(jí)或以上級(jí)螺栓強(qiáng)韌性，盡可能降低材料使用應(yīng)力

對(duì)于10.9級(jí)或以上級(jí)螺栓，熱處理工藝的制定盡可能選用較低的淬火溫度和較高的回火溫度，但必需到達(dá)所要求的顯微組織。一般狀況下，在鋼強(qiáng)度處于材料抗拉強(qiáng)度中等水平以下，其材質(zhì)中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1ppm的條件以下不會(huì)發(fā)生氫脆斷裂；在鋼強(qiáng)度處于螺栓級(jí)別抗拉強(qiáng)度偏高時(shí)，其材質(zhì)中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1ppm的條件下，氫脆敏感性急劇增加。資料說(shuō)明，當(dāng)螺栓硬度為35HRC以上，氫含量高于5～10ppm時(shí)，或螺栓硬度在40HRC以上，氫含量高于1ppm時(shí)發(fā)生氫脆的可能性極大。2.4對(duì)外表有強(qiáng)化要求的緊固件，必需使用降低氫含量的工藝生產(chǎn)

自攻螺釘、自攻自鉆螺釘滲碳淬火過(guò)程中必定伴隨著氫的滲入，假設(shè)伴隨有滲硫現(xiàn)象，滲氫量會(huì)更大。滲碳?xì)夥罩袣涞暮吭酱?，滲氫量也越大，通氨氣使?jié)B氫量提高。在滲碳集中階段，可承受通氮?dú)鈵?ài)護(hù)，降低環(huán)境氫含量來(lái)到達(dá)局部脫氫效果。高強(qiáng)度墊圈氣體滲氮中氣源甲醇、氨氣中的有機(jī)硫、無(wú)機(jī)硫和水，均是增加滲氫量的因素，并增加形成黑色組織〔黑洞、黑網(wǎng)、黑帶〕，易造成氫陷阱，必需制止。原材料組織均勻，非金屬夾雜物小、少并細(xì)化，可使脫氫效果增加。氫的消退隨回火溫度的上升，氫逸出量增加。受各種因素影響，對(duì)有力學(xué)性能要求的自攻螺釘、自攻自鉆螺釘、高強(qiáng)度墊圈，盡量選擇較高的回火溫度回火，淬火后馬上回火并適當(dāng)延長(zhǎng)回火時(shí)間，可防止氫進(jìn)入各種陷阱，脫氫效果顯著。2.5非標(biāo)異型件設(shè)計(jì)避開(kāi)因面積突變、尖缺口等造成大的應(yīng)力集中

金屬中的氫會(huì)發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)集中，氫由低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)集中并聚攏，從而造成高應(yīng)力區(qū)的氫脆。因此，非標(biāo)異型件設(shè)計(jì)應(yīng)避開(kāi)截面的突變，變截面的臺(tái)階應(yīng)有足夠的圓角過(guò)渡，降低高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)。2.6高強(qiáng)度螺栓進(jìn)展防腐處理時(shí)，承受低氫脆電鍍或無(wú)氫脆涂覆

對(duì)于10.9級(jí)螺栓原則上一般不主見(jiàn)電鍍鋅，假設(shè)承受低氫脆電鍍時(shí)，其工藝特點(diǎn)為鍍前需進(jìn)展消退應(yīng)力回火，制止強(qiáng)酸清洗，使用噴砂工藝去除熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的氧化皮和外表污染物，電鍍過(guò)程中嚴(yán)格掌握電流密度，削減氫粒子的吸附量。對(duì)于10.9級(jí)或以上級(jí)螺栓盡量承受無(wú)氫脆涂覆，主要包括機(jī)械鍍鋅、粉末滲鋅、鋅鉻涂覆層等。2.7設(shè)計(jì)選用高強(qiáng)度螺栓時(shí)，應(yīng)考慮螺栓的使用環(huán)境，避開(kāi)環(huán)境氫脆

有氫脆敏感性的高強(qiáng)度螺栓在使用過(guò)程中，如在高溫氫〔或致氫介質(zhì)〕環(huán)境中使用會(huì)發(fā)生高溫氫腐蝕，在常溫條件下與環(huán)境的水、腐蝕性介質(zhì)等長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)導(dǎo)致螺栓外表發(fā)生電化學(xué)覆蝕，假設(shè)發(fā)生析氫覆蝕反響可導(dǎo)致螺栓外表吸氫而發(fā)生環(huán)境氫脆。設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真分析產(chǎn)品使用環(huán)境，選擇適宜的材料及外表防護(hù)技術(shù)，確定明確的使用要求，防止高強(qiáng)度螺栓在使用過(guò)程中發(fā)生環(huán)境氫脆。某塔架上的連接M30X350六角頭螺栓在安裝后有5件消失斷裂現(xiàn)象。5件螺栓斷口形貌均具有典型的氫脆斷裂形貌特征。該螺栓的外表處理為發(fā)黑，螺栓氫脆斷裂是由于螺栓外表糊了泥與水，使螺栓四周形成了電化學(xué)覆蝕反響環(huán)境，反響中陰極析出氫，局部原子氫進(jìn)入螺栓材料內(nèi)部使局部氫富集、晶界弱化，導(dǎo)致螺栓發(fā)生延遲性氫脆斷裂。2.8依據(jù)緊固件性能要求，選擇適宜的熱處理工藝

對(duì)于高強(qiáng)度鋼而言，在各種不同的顯微組織中，對(duì)氫脆敏感性從大到小一般挨次為馬氏體、上貝氏體、下貝氏體、索氏體、珠光體、奧氏體。高強(qiáng)度螺栓的機(jī)械性能必需通過(guò)熱處理淬火加回火完成的，在此過(guò)程中承受適宜的熱處理工藝制度就顯得尤為重要，它不僅可以改善螺栓的顯微組織，還可以降低螺栓對(duì)氫脆的敏感性。假設(shè)承受等溫淬火工藝代替淬火加回火，可以得到氫脆敏感性小于回火馬氏體的下貝氏體組織。某汽車的六角頭螺栓上的波形墊圈，在裝配時(shí)消失斷裂。分析認(rèn)為：承受一般淬火的熱處理方式，波形墊圈系高碳彈簧鋼淬火加中溫回火，形成回火托氏體組織，氫脆敏感性增加，導(dǎo)致裝配時(shí)產(chǎn)生氫脆斷裂，經(jīng)承受等溫淬火后，未再消失氫脆問(wèn)題。2.9高強(qiáng)度螺栓在進(jìn)展外表處理時(shí)，應(yīng)充分考慮防氫脆措施

對(duì)于高強(qiáng)度螺栓，應(yīng)盡量避開(kāi)承受滲氫嚴(yán)峻的外表處理工藝，如承受電鍍鋅、強(qiáng)酸洗、電化學(xué)陰極除油和陰極、陽(yáng)極交替除油等外表處理工藝。高強(qiáng)度螺栓除油時(shí)可用用陽(yáng)極電解除油，為去除螺栓外表氧化皮進(jìn)展酸洗時(shí)，應(yīng)盡量承受稀的鹽酸并參加緩蝕劑和外表活性劑，嚴(yán)禁用強(qiáng)酸洗，同時(shí)可爭(zhēng)論承受噴砂、噴丸、液體噴砂等機(jī)械手段代替酸洗。2.10電鍍件應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)要求準(zhǔn)時(shí)驅(qū)氫

對(duì)電鍍后的螺栓、螺母進(jìn)展190～210℃、6～8h的烘烤的熱處理，稱為驅(qū)氫處理。其目的是通過(guò)加強(qiáng)氫原子的熱運(yùn)動(dòng)，使聚攏于材料外表的氫原子從工件外表逸出，或內(nèi)部集中，降低局部濃度，減輕氫原子的聚攏，以防止氫脆斷裂。驅(qū)氫處理并不能使氫原子全部逸出工件外表，氫原子向金屬內(nèi)部集中需要的能量比較小，而向外集中要抑制外表能和金屬鍍層的阻礙，所以逸出外表的氫原子只是一局部。集中在材料內(nèi)部的氫原子還有可能在晶格缺陷、晶界或材料內(nèi)應(yīng)力大的部位聚攏，因此驅(qū)氫只能減輕而不能徹底消退氫脆隱患。必需留意的是，具有氫脆敏感性組制的高強(qiáng)度螺栓重復(fù)電鍍，盡管每次電鍍后都進(jìn)展驅(qū)氫。但氫原子在材料內(nèi)部會(huì)漸漸累積，其氫脆的危急性會(huì)越來(lái)越高，所以具有氫脆傾向的高強(qiáng)度螺栓不允很屢次電鍍。3.結(jié)語(yǔ)

緊固件氫脆爭(zhēng)論是多領(lǐng)域的問(wèn)題。氫脆斷裂往往具有隱蔽性、延遲性、突發(fā)性、偶然性、必定性等幾方面特點(diǎn)，因此具有極大的危急性和破壞性，一旦發(fā)生氫脆，往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。本文提出的10項(xiàng)原則，實(shí)行樂(lè)觀有效的防治措施，可以在很大程度上避開(kāi)氫脆的發(fā)生。參考文獻(xiàn)

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