紧固技术

螺栓的氢脆断裂


氢脆断裂的种类很多,主要分为氢蚀断裂、白点断裂、氢化物致脆断裂和氢致延滞断裂。螺钉氢脆断裂通常特指是氢致延滞断裂:氢原子侵入螺钉的基体材料,螺钉拧紧后,即螺钉沿轴线承受一定静载荷(拉伸应力),经过一段时间,突然发生脆性断裂。螺钉氢脆断裂是常见的螺钉失效模式。

螺钉氢脆断裂通常发生于经过热处理和电镀处理的高强度普通螺纹螺钉和表面硬度较高的自攻螺纹螺钉,大多发生在螺钉头与螺杆或光杆与螺纹交接的部位。螺钉氢脆断裂一般在螺钉组装后48小时内发生。

判定螺钉断裂是否为氢脆断裂最直观的方法是观察断口形貌。用肉眼或低倍放大镜宏观观察:螺钉氢脆断裂断口与最大正应力方向基本垂直,断口平齐,无明显的塑性变形,断面明显可分成裂纹源区和裂纹扩展区两个区域,裂纹源区呈结晶颗粒状,颜色呈暗灰色,裂纹源区从螺纹的根部开始,沿着螺纹旋转的方向开裂;裂纹扩展区颜色呈银灰色,可见放射状条纹,条纹收敛于裂纹源区。用扫描电镜或电子显微镜微观观察:裂纹源区呈沿晶断裂(晶界间存在微裂纹)形貌,并存在沿晶二次裂纹,晶粒轮廓鲜明,呈冰糖状,晶粒表面存在大量的鸡爪痕,裂纹扩展区主要呈准解理断裂(在正应力作用下产生的穿晶断裂,通常沿一定的严格的晶面分离,同时伴随一定的塑性变形痕迹)形貌,部分区域存在韧窝(小凹坑)及沿晶断裂形貌。


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螺钉基体材料的氢含量也是判定是否为氢脆断裂的重要依据。氢含量可用氧氮氢分析仪测得,主要是看含氢量相对于合格的螺钉或电镀处理前的螺钉是否有显著增加。碳钢材料允许的氢含量尚无严格的标准,但氢对碳钢材料会造成损害是确定无疑的,含氢量的多寡仅表现为对碳钢材料损伤程度的差别。

螺钉的氢脆断裂机理非常复杂,自20世纪40年代螺钉氢脆断裂问题被发现以来,其断裂机理一直是学术界的研究热点,但至今还是没有统一的认知。比较有名的理论有四种:氢压理论、氢表面吸附理论、晶格脆化理论和位错理论。其中位错理论能相对较好地解释螺钉氢脆断裂的特点,位错理论认为:当温度低于某一临界温度时,基体材料中的氢在基体形变过程中形成某种气团。当基体形变速度比较低,且温度又不是太低的情况下,这气团将伴随位错而运动,它距位错有一定距离,但与位错运动速度又相适应,从而对位错起钉锚作用,使位错不能自由运动,因此产生局部的加工硬化。在外力作用下,当位错运动到晶界或其他障碍物时,必然会产生位错在该处的堆积和氢在该处的富集,如果外力足够大,则在位错堆积的端部产生应力集中,最后导致基体开裂。

造成螺钉氢脆断裂的主要因素有基体材料的氢脆敏感性、螺钉的表面状况、螺钉冷加工和热处理后的残余内应力、制造过程中侵入螺钉基体材料的氢、环境温度、螺钉组装后承受的外加载荷等等。

碳钢材料的氢脆敏感性与其强度息息相关,强度越高氢脆敏感性越高。强度与碳钢的含碳量和显微组织有关。实验和事实证明,珠光体组织、铁素体组织的氢脆敏感性远低于马氏体组织,网状分布的高碳马氏体组织的氢脆敏感性最高。电子产品常用的普通螺纹螺钉不需要热处理,强度等级较低,其材料显微组织中大部分都是铁素体或珠光体组织,氢脆敏感性较低,一般不存在氢脆断裂问题;高性能普通螺纹螺钉或自攻螺纹螺钉必须热处理,其材料显微组织大部分为马氏体组织或高碳马氏体组织,氢脆敏感性较高,需要考虑氢脆断裂的风险。碳钢材料的强度与硬度有很好的对应关系,用硬度来表现碳钢材料的氢脆敏感性更为直观和方便测得。一般来说,硬度在38HRC左右时开始呈现氢脆断裂的危险,硬度高于43HRC时,应考虑去氢处理,硬度高于60HRC时,表面处理后必须立即进行去氢处理。

生产实践表明,螺钉电镀前的酸洗工序和电镀工序是制造过程中氢侵入基体材料的关键环节,且不可避免。可靠的对策是在螺钉电镀后增加去氢处理工序。一般来说,螺钉冷加工和热处理后多少都有残余内应力,当氢侵入螺钉基体材料,一段时间后,在残余内应力的作用下,螺钉基体材料即可能形成晶界微裂,微裂纹一旦形成就不会愈合,因此,去氢处理必须在晶界微裂形成之前进行,GB和ISO标准推荐去氢处理最好在螺钉电镀处理后1小时内进行。

去氢处理实际上是个烘烤过程,在190~230摄氏度的温度下和规定的时间内烘烤螺钉,将螺钉基体材料中的氢蒸发和不可逆收集而释放氢原子。尽管去氢处理只能除去很小的一部份氢,但去氢处理可使基体材料中的氢重新分布,并使之不易聚集到螺钉应力集中部位。烘烤时间取决于螺钉规格、材料的硬度、镀层类型和镀层厚度。烘烤时间通常在2~24小时内选取,很多标准都有推荐的烘烤时间,如ASTM B 850规定自攻螺钉的最短烘烤时间为2小时,自攻锁紧螺钉的最短烘烤时间为4小时。

值得注意的是,完整的螺钉电镀处理工序还包括钝化处理,而电镀钝化膜只能承受60~70摄氏度的温度,因此,去氢处理必须在电镀之后、钝化之前完成,否则,去氢处理会破坏电镀钝化膜。

经过去氢处理的螺钉应进行氢脆测试,以检验去氢是否彻底,各国国家标准都有明确定义的氢脆测试方法。自攻螺钉通常以破断扭矩的80%作为拧紧扭矩将螺钉旋入测试钢板上的标准光孔,保持24小时,将螺钉松退后再次以原拧紧扭矩旋入,保持24小时后,松退螺钉,目视检查螺钉是否破断。普通螺纹螺钉或自攻锁紧螺钉则以其拧紧扭矩旋入测试钢板上的标准螺纹孔。测试普通螺纹螺钉时,如使用4~6度的垫楔板,则测试结果更可靠。

还有一种非常简便实用的方法可以测试去氢效果:烧杯盛取适量的(完全浸没待测螺钉)液体石蜡,加热并控制温度在100~190摄氏度,在此温度区间保持5分钟,以去除石蜡中的水分,将螺钉油迹和水分清除干净,放入石蜡中,若10秒内螺钉出现气泡,则表明螺钉还含有一定量的氢,没有气泡,则表明螺钉去氢效果良好。


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高强度螺栓氢脆的发生与预防.pdf


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