氫脆失效模式防治常用原則及方法關鍵詞：氫脆；失效模式；高強度；熱處理；防治原則

摘要：氫脆開裂是環(huán)境氫從工件表面沿晶界進駐晶界并向內擴散，氫原子在此聚集，并在應力作用下最終導致沿晶界開裂。針對氫脆問題，結合緊固件產品的生產實踐中的失效事例，探討了緊固件產品常見的氫脆失效模式，提出防治氫脆的10項原則，供設計或工藝人員參考。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，開裂并不總是以脆性出現(xiàn)，也可以出現(xiàn)韌窩方式斷裂。氫脆又稱氫致開裂或氫損傷。氫脆開裂是環(huán)境氫從工件表面沿晶界進駐晶界并向內擴散，氫原子在此聚集，并在應力作用下最終導致沿晶界開裂。氫脆的危害很大，為保證產品的牢靠性，限制和預防氫脆是一項艱難和許久的工作。氫脆的機理很困難，氫脆斷裂現(xiàn)象也有多種，國際國內存在多種氫脆理論，如位錯釘軋理論、晶界聚集理論、氫氣泡理論、脆化相理論等等。每一種理論各支持部分現(xiàn)象，到目前為止還沒有一種統(tǒng)一的理論能說明全部氫脆現(xiàn)象，這也是人類相識自然的不斷探素的未知過程。2.預防氫脆的原則

氫在鋼材內部的聚集程度取決于氫含量、氫脆敏感組織、應力集中、應變速率4個因素的交互作用，難于量化確定其門檻，所以目前還沒有精確界定是否發(fā)生氫脆的標準，以及針對性的解決措施，對有氫脆隱患的緊固件產品只能實行綜合性防治措施。近年來緊固件產品典型氫脆失效案例較多，依據產品特點，以下結合案例總結提煉出預防氫脆的原則，可有效指導設計人員或工藝人員開展氫脆防治工作參考。2.1在緊固件設計時，優(yōu)先選擇高強度、高韌性、抗延遲斷裂性能好的材料

對于有高強度要求的10.9級或以上級螺栓，要盡量避開選用含碳馬氏體強化鋼，如40Cr、40Mn2鋼，而優(yōu)先選擇CrMo、CrMoV系鋼，如10.9級螺栓可考慮選用38SiMnVB、35CrMoA和42CrMoA鋼；12.9級螺栓選用35CrMoV、45CrNiMoV和42CrMoVNb鋼,此類材料的主要強化機制為以彌散析出的其次相強化，氫脆敏感性低，有較高的斷裂韌度和抗延遲斷裂實力。2.2選用高強度鋼時，應保證材料干凈度要求鋼中P、S、Sn、As等雜質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。對同種材料而言，鋼的強度等級越高，對氫脆越敏感。因此，對于10.9級或以上級螺栓，應選用冶煉質量級別相對較高的鋼，保證材料有較好的干凈度，鋼材內部缺陷偏析、疏松不允許存在，并選擇材料綜合性能最好的強度水平。2.3熱處理工藝制定時，應綜合考慮10.9級或以上級螺栓強韌性，盡可能降低材料運用應力

對于10.9級或以上級螺栓，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，但必需達到所要求的顯微組織。一般狀況下，在鋼強度處于材料抗拉強度中等水平以下，其材質中氫的質量分數小于1ppm的條件以下不會發(fā)生氫脆斷裂；在鋼強度處于螺栓級別抗拉強度偏高時，其材質中氫的質量分數小于1ppm的條件下，氫脆敏感性急劇增加。資料表明，當螺栓硬度為35HRC以上，氫含量高于5～10ppm時，或螺栓硬度在40HRC以上，氫含量高于1ppm時發(fā)生氫脆的可能性極大。2.4對表面有強化要求的緊固件，必需運用降低氫含量的工藝生產

自攻螺釘、自攻自鉆螺釘滲碳淬火過程中必定伴隨著氫的滲入，若伴隨有滲硫現(xiàn)象，滲氫量會更大。滲碳氣氛中氫的含量越大，滲氫量也越大，通氨氣使?jié)B氫量提高。在滲碳擴散階段，可接受通氮氣疼惜，降低環(huán)境氫含量來達到部分脫氫效果。高強度墊圈氣體滲氮中氣源甲醇、氨氣中的有機硫、無機硫和水，均是增加滲氫量的因素，并增加形成黑色組織（黑洞、黑網、黑帶），易造成氫陷阱，必需制止。原材料組織勻整，非金屬夾雜物小、少并細化，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，對有力學性能要求的自攻螺釘、自攻自鉆螺釘、高強度墊圈，盡量選擇較高的回火溫度回火，淬火后立刻回火并適當延長回火時間，可防止氫進入各種陷阱，脫氫效果顯著。2.5非標異型件設計避開因面積突變、尖缺口等造成大的應力集中

金屬中的氫會發(fā)生應力誘導擴散，氫由低應力區(qū)向高應力區(qū)擴散并聚集，從而造成高應力區(qū)的氫脆。因此，非標異型件設計應避開截面的突變，變截面的臺階應有足夠的圓角過渡，降低高應力區(qū)的應力集中系數。2.6高強度螺栓進行防腐處理時，接受低氫脆電鍍或無氫脆涂覆

對于10.9級螺栓原則上一般不主見電鍍鋅，若接受低氫脆電鍍時，其工藝特點為鍍前需進行消退應力回火，禁止強酸清洗，運用噴砂工藝去除熱處理過程中產生的氧化皮和表面污染物，電鍍過程中嚴格限制電流密度，削減氫粒子的吸附量。對于10.9級或以上級螺栓盡量接受無氫脆涂覆，主要包括機械鍍鋅、粉末滲鋅、鋅鉻涂覆層等。2.7設計選用高強度螺栓時，應考慮螺栓的運用環(huán)境，避開環(huán)境氫脆

有氫脆敏感性的高強度螺栓在運用過程中，如在高溫氫（或致氫介質）環(huán)境中運用會發(fā)生高溫氫腐蝕，在常溫條件下與環(huán)境的水、腐蝕性介質等長時間接觸會導致螺栓表面發(fā)生電化學覆蝕，假如發(fā)生析氫覆蝕反應可導致螺栓表面吸氫而發(fā)生環(huán)境氫脆。設計人員應細致分析產品運用環(huán)境，選擇合適的材料及表面防護技術，確定明確的運用要求，防止高強度螺栓在運用過程中發(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件出現(xiàn)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。該螺栓的表面處理為發(fā)黑，螺栓氫脆斷裂是由于螺栓表面糊了泥與水，使螺栓四周形成了電化學覆蝕反應環(huán)境，反應中陰極析出氫，部分原子氫進入螺栓材料內部使局部氫富集、晶界弱化，導致螺栓發(fā)生延遲性氫脆斷裂。2.8依據緊固件性能要求，選擇適宜的熱處理工藝

對于高強度鋼而言，在各種不同的顯微組織中，對氫脆敏感性從大到小一般依次為馬氏體、上貝氏體、下貝氏體、索氏體、珠光體、奧氏體。高強度螺栓的機械性能必需通過熱處理淬火加回火完成的，在此過程中接受合適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，還可以降低螺栓對氫脆的敏感性。假如接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，在裝配時出現(xiàn)斷裂。分析認為：接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，導致裝配時產生氫脆斷裂，經接受等溫淬火后，未再出現(xiàn)氫脆問題。2.9高強度螺栓在進行表面處理時，應充分考慮防氫脆措施

對于高強度螺栓，應盡量避開接受滲氫嚴峻的表面處理工藝，如接受電鍍鋅、強酸洗、電化學陰極除油和陰極、陽極交替除油等表面處理工藝。高強度螺栓除油時可用用陽極電解除油，為去除螺栓表面氧化皮進行酸洗時，應盡量接受稀的鹽酸并加入緩蝕劑和表面活性劑，嚴禁用強酸洗，同時可探討接受噴砂、噴丸、液體噴砂等機械手段代替酸洗。2.10電鍍件應按標準要求剛好驅氫

對電鍍后的螺栓、螺母進行190～210℃、6～8h的烘烤的熱處理，稱為驅氫處理。其目的是通過加強氫原子的熱運動，使聚集于材料表面的氫原子從工件表面逸出，或內部擴散，降低局部濃度，減輕氫原子的聚集，以防止氫脆斷裂。驅氫處理并不能使氫原子全部逸出工件表面，氫原子向金屬內部擴散須要的能量比較小，而向外擴散要克服表面能和金屬鍍層的阻礙，所以逸出表面的氫原子只是一部分。擴散在材料內部的氫原子還有可能在晶格缺陷、晶界或材料內應力大的部位聚集，因此驅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度螺栓重復電鍍，盡管每次電鍍后都進行驅氫。但氫原子在材料內部會漸漸累積，其氫脆的緊急性會越來越高，所以具有氫脆傾向的高強度螺栓不允很多次電鍍。3.結語

緊固件氫脆探討是多領域的問題。氫脆斷裂往往具有隱藏性、延遲性、突發(fā)性、偶然性、必定性等幾方面特點，因此具有極大的緊急性和破壞性，一旦發(fā)生氫脆，往往會導致災難性后果。本文提出的10項原則，實行主動有效的防治措施，可以在很大程度上避開氫脆的發(fā)生。參考文獻

[1]周德惠，譚云.金屬的環(huán)境氫脆及試驗技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.[2]儲武揚.氫損傷和滯后斷裂［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1