7氢脆失效模式防治常用原则及方法解析优秀PPT.ppt

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1、氢脆失效模式防治常用原则及氢脆失效模式防治常用原则及方法方法关键词：氢脆；失效模式；高强度；热处理；防治关键词：氢脆；失效模式；高强度；热处理；防治原则原则摘摘 要：氢脆开裂是环境氢从工件表面沿晶要：氢脆开裂是环境氢从工件表面沿晶界进驻晶界并向内扩散，氢原子在此聚集，界进驻晶界并向内扩散，氢原子在此聚集，并在应力作用下最终导致沿晶界开裂。针并在应力作用下最终导致沿晶界开裂。针对氢脆问题，结合紧固件产品的生产实践对氢脆问题，结合紧固件产品的生产实践中的失效事例，探讨了紧固件产品常见的中的失效事例，探讨了紧固件产品常见的氢脆失效模式，提出防治氢脆的氢脆失效模式，提出防治氢脆的10项原则，项原则，供

2、设计或工艺人员参考。供设计或工艺人员参考。1.前言前言氢脆是工程失效分析中常提起的一词，顾氢脆是工程失效分析中常提起的一词，顾名思义，即氢导致金属材料脆性（变脆）。名思义，即氢导致金属材料脆性（变脆）。但从理论上而言，氢不但可使金属材料变但从理论上而言，氢不但可使金属材料变脆，也可以使金属材料变韧，即氢致软化脆，也可以使金属材料变韧，即氢致软化也可以硬化。在失效分析中，特殊是断口也可以硬化。在失效分析中，特殊是断口分析中，开裂并不总是以脆性出现，也可分析中，开裂并不总是以脆性出现，也可以出现韧窝方式断裂。氢脆又称氢致开裂以出现韧窝方式断裂。氢脆又称氢致开裂或氢损伤。或氢损伤。氢脆开裂是环境氢从

3、工件表面沿晶界进驻晶氢脆开裂是环境氢从工件表面沿晶界进驻晶界并向内扩散，氢原子在此聚集，并在应力界并向内扩散，氢原子在此聚集，并在应力作用下最终导致沿晶界开裂。氢脆的危害很作用下最终导致沿晶界开裂。氢脆的危害很大，为保证产品的牢靠性，限制和预防氢脆大，为保证产品的牢靠性，限制和预防氢脆是一项艰难和许久的工作。是一项艰难和许久的工作。氢脆的机理很困难，氢脆断裂现象也有多种，氢脆的机理很困难，氢脆断裂现象也有多种，国际国内存在多种氢脆理论，如位错钉轧理国际国内存在多种氢脆理论，如位错钉轧理论、晶界聚集理论、氢气泡理论、脆化相理论、晶界聚集理论、氢气泡理论、脆化相理论等等。每一种理论各支持部分现象，

4、到目论等等。每一种理论各支持部分现象，到目前为止还没有一种统一的理论能说明全部氢前为止还没有一种统一的理论能说明全部氢脆现象，这也是人类相识自然的不断探素的脆现象，这也是人类相识自然的不断探素的未知过程。未知过程。2.预防氢脆的原则预防氢脆的原则氢在钢材内部的聚集程度取决于氢含量、氢脆敏氢在钢材内部的聚集程度取决于氢含量、氢脆敏感组织、应力集中、应变速率感组织、应力集中、应变速率4个因素的交互作用，个因素的交互作用，难于量化确定其门槛，所以目前还没有精确界定难于量化确定其门槛，所以目前还没有精确界定是否发生氢脆的标准，以及针对性的解决措施，是否发生氢脆的标准，以及针对性的解决措施，对有氢脆隐患

5、的紧固件产品只能实行综合性防治对有氢脆隐患的紧固件产品只能实行综合性防治措施。措施。近年来紧固件产品典型氢脆失效案例较多，依据近年来紧固件产品典型氢脆失效案例较多，依据产品特点，以下结合案例总结提炼出预防氢脆的产品特点，以下结合案例总结提炼出预防氢脆的原则，可有效指导设计人员或工艺人员开展氢脆原则，可有效指导设计人员或工艺人员开展氢脆防治工作参考。防治工作参考。2.1 在紧固件设计时，优先选择高强度、高韧性、在紧固件设计时，优先选择高强度、高韧性、抗延迟断裂性能好的材料抗延迟断裂性能好的材料对于有高强度要求的对于有高强度要求的10.9级或以上级螺栓，级或以上级螺栓，要尽量避开选用含碳马氏体强化

6、钢，如要尽量避开选用含碳马氏体强化钢，如40Cr、40Mn2钢，而优先选择钢，而优先选择CrMo、CrMoV系钢，如系钢，如10.9级螺栓可考虑选用级螺栓可考虑选用38SiMnVB、35CrMoA和和42CrMoA钢；钢；12.9级螺栓选用级螺栓选用35CrMoV、45CrNiMoV 和和42CrMoVNb钢钢,此类材料的主要强化机制此类材料的主要强化机制为以弥散析出的其次相强化，氢脆敏感性为以弥散析出的其次相强化，氢脆敏感性低，有较高的断裂韧度和抗延迟断裂实力。低，有较高的断裂韧度和抗延迟断裂实力。2.2 选用高强度钢时，应保证材料干净度要求选用高强度钢时，应保证材料干净度要求钢中钢中P、S

7、、Sn、As等杂质元素易于在晶界偏聚，等杂质元素易于在晶界偏聚，增加材料的氢脆敏感性，含碳量较低且硫、磷含增加材料的氢脆敏感性，含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。对同种材料而言，量较少的钢，氢脆敏感性低。对同种材料而言，钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。因此，对于钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。因此，对于10.9级或以上级螺栓，应选用冶炼质量级别相对级或以上级螺栓，应选用冶炼质量级别相对较高的钢，保证材料有较好的干净度，钢材内部较高的钢，保证材料有较好的干净度，钢材内部缺陷偏析、疏松不允许存在，并选择材料综合性缺陷偏析、疏松不允许存在，并选择材料综合性能最好的强度水平。能最好的强度水

8、平。2.3 热处理工艺制定时，应综合考虑热处理工艺制定时，应综合考虑10.9级或以上级级或以上级螺栓强韧性，尽可能降低材料运用应力螺栓强韧性，尽可能降低材料运用应力对于对于10.9级或以上级螺栓，热处理工艺的制定尽级或以上级螺栓，热处理工艺的制定尽可能选用较低的淬火温度和较高的回火温度，但可能选用较低的淬火温度和较高的回火温度，但必需达到所要求的显微组织。一般状况下，在钢必需达到所要求的显微组织。一般状况下，在钢强度处于材料抗拉强度中等水平以下，其材质中强度处于材料抗拉强度中等水平以下，其材质中氢的质量分数小于氢的质量分数小于1ppm的条件以下不会发生氢脆的条件以下不会发生氢脆断裂；在钢强度处

9、于螺栓级别抗拉强度偏高时，断裂；在钢强度处于螺栓级别抗拉强度偏高时，其材质中氢的质量分数小于其材质中氢的质量分数小于1ppm的条件下，氢脆的条件下，氢脆敏感性急剧增加。资料表明，当螺栓硬度为敏感性急剧增加。资料表明，当螺栓硬度为35HRC以上，氢含量高于以上，氢含量高于510ppm时，或螺栓时，或螺栓硬度在硬度在40HRC以上，氢含量高于以上，氢含量高于1ppm时发生氢时发生氢脆的可能性极大。脆的可能性极大。2.4对表面有强化要求的紧固件，必需运用降对表面有强化要求的紧固件，必需运用降低氢含量的工艺生产低氢含量的工艺生产自攻螺钉、自攻自钻螺钉渗碳淬火过程中自攻螺钉、自攻自钻螺钉渗碳淬火过程中必

10、定伴随着氢的渗入，若伴随有渗硫现象，必定伴随着氢的渗入，若伴随有渗硫现象，渗氢量会更大。渗碳气氛中氢的含量越大，渗氢量会更大。渗碳气氛中氢的含量越大，渗氢量也越大，通氨气使渗氢量提高。在渗氢量也越大，通氨气使渗氢量提高。在渗碳扩散阶段，可接受通氮气疼惜，降低渗碳扩散阶段，可接受通氮气疼惜，降低环境氢含量来达到部分脱氢效果。环境氢含量来达到部分脱氢效果。高强度垫圈气体渗氮中气源甲醇、氨气中的高强度垫圈气体渗氮中气源甲醇、氨气中的有机硫、无机硫和水，均是增加渗氢量的因有机硫、无机硫和水，均是增加渗氢量的因素，并增加形成黑色组织（黑洞、黑网、黑素，并增加形成黑色组织（黑洞、黑网、黑带），易造成氢陷阱

11、，必需制止。带），易造成氢陷阱，必需制止。原材料组织匀整，非金属夹杂物小、少并细原材料组织匀整，非金属夹杂物小、少并细化，可使脱氢效果增加。氢的消退随回火温化，可使脱氢效果增加。氢的消退随回火温度的上升，氢逸出量增加。受各种因素影响，度的上升，氢逸出量增加。受各种因素影响，对有力学性能要求的自攻螺钉、自攻自钻螺对有力学性能要求的自攻螺钉、自攻自钻螺钉、高强度垫圈，尽量选择较高的回火温度钉、高强度垫圈，尽量选择较高的回火温度回火，淬火后立刻回火并适当延长回火时间，回火，淬火后立刻回火并适当延长回火时间，可防止氢进入各种陷阱，脱氢效果显著。可防止氢进入各种陷阱，脱氢效果显著。2.5非标异型件设计避

12、开因面积突变、尖缺口等造成非标异型件设计避开因面积突变、尖缺口等造成大的应力集中大的应力集中金属中的氢会发生应力诱导扩散，氢由低金属中的氢会发生应力诱导扩散，氢由低应力区向高应力区扩散并聚集，从而造成应力区向高应力区扩散并聚集，从而造成高应力区的氢脆。因此，非标异型件设计高应力区的氢脆。因此，非标异型件设计应避开截面的突变，变截面的台阶应有足应避开截面的突变，变截面的台阶应有足够的圆角过渡，降低高应力区的应力集中够的圆角过渡，降低高应力区的应力集中系数。系数。2.6 高强度螺栓进行防腐处理时，接受低氢脆高强度螺栓进行防腐处理时，接受低氢脆电镀或无氢脆涂覆电镀或无氢脆涂覆对于对于10.9级螺栓原

13、则上一般不主见电镀锌，级螺栓原则上一般不主见电镀锌，若接受低氢脆电镀时，其工艺特点为镀前若接受低氢脆电镀时，其工艺特点为镀前需进行消退应力回火，禁止强酸清洗，运需进行消退应力回火，禁止强酸清洗，运用喷砂工艺去除热处理过程中产生的氧化用喷砂工艺去除热处理过程中产生的氧化皮和表面污染物，电镀过程中严格限制电皮和表面污染物，电镀过程中严格限制电流密度，削减氢粒子的吸附量。对于流密度，削减氢粒子的吸附量。对于10.9级级或以上级螺栓尽量接受无氢脆涂覆，主要或以上级螺栓尽量接受无氢脆涂覆，主要包括机械镀锌、粉末渗锌、锌铬涂覆层等。包括机械镀锌、粉末渗锌、锌铬涂覆层等。2.7 设计选用高强度螺栓时，应考虑

14、螺栓的运设计选用高强度螺栓时，应考虑螺栓的运用环境，避开环境氢脆用环境，避开环境氢脆有氢脆敏感性的高强度螺栓在运用过程中，有氢脆敏感性的高强度螺栓在运用过程中，如在高温氢（或致氢介质）环境中运用会如在高温氢（或致氢介质）环境中运用会发生高温氢腐蚀，在常温条件下与环境的发生高温氢腐蚀，在常温条件下与环境的水、腐蚀性介质等长时间接触会导致螺栓水、腐蚀性介质等长时间接触会导致螺栓表面发生电化学覆蚀，假如发生析氢覆蚀表面发生电化学覆蚀，假如发生析氢覆蚀反应可导致螺栓表面吸氢而发生环境氢脆。反应可导致螺栓表面吸氢而发生环境氢脆。设计人员应细致分析产品运用环境，选择设计人员应细致分析产品运用环境，选择合适

15、的材料及表面防护技术，确定明确的合适的材料及表面防护技术，确定明确的运用要求，防止高强度螺栓在运用过程中运用要求，防止高强度螺栓在运用过程中发生环境氢脆。发生环境氢脆。某塔架上的连接某塔架上的连接M30X350六角头螺栓在安六角头螺栓在安装后有装后有5件出现断裂现象。件出现断裂现象。5件螺栓断口形貌件螺栓断口形貌均具有典型的氢脆断裂形貌特征。该螺栓的均具有典型的氢脆断裂形貌特征。该螺栓的表面处理为发黑，螺栓氢脆断裂是由于螺栓表面处理为发黑，螺栓氢脆断裂是由于螺栓表面糊了泥与水，使螺栓四周形成了电化学表面糊了泥与水，使螺栓四周形成了电化学覆蚀反应环境，反应中阴极析出氢，部分原覆蚀反应环境，反应中

16、阴极析出氢，部分原子氢进入螺栓材料内部使局部氢富集、晶界子氢进入螺栓材料内部使局部氢富集、晶界弱化，导致螺栓发生延迟性氢脆断裂。弱化，导致螺栓发生延迟性氢脆断裂。2.8 依据紧固件性能要求，选择适宜的热处理依据紧固件性能要求，选择适宜的热处理工艺工艺对于高强度钢而言，在各种不同的显微组织中，对于高强度钢而言，在各种不同的显微组织中，对氢脆敏感性从大到小一般依次为马氏体、上贝对氢脆敏感性从大到小一般依次为马氏体、上贝氏体、下贝氏体、索氏体、珠光体、奥氏体。高氏体、下贝氏体、索氏体、珠光体、奥氏体。高强度螺栓的机械性能必需通过热处理淬火加回火强度螺栓的机械性能必需通过热处理淬火加回火完成的，在此过

17、程中接受合适的热处理工艺制度完成的，在此过程中接受合适的热处理工艺制度就显得尤为重要，它不仅可以改善螺栓的显微组就显得尤为重要，它不仅可以改善螺栓的显微组织，还可以降低螺栓对氢脆的敏感性。假如接受织，还可以降低螺栓对氢脆的敏感性。假如接受等温淬火工艺代替淬火加回火，可以得到氢脆敏等温淬火工艺代替淬火加回火，可以得到氢脆敏感性小于回火马氏体的下贝氏体组织。感性小于回火马氏体的下贝氏体组织。某汽车的六角头螺栓上的波形垫圈，在装某汽车的六角头螺栓上的波形垫圈，在装配时出现断裂。分析认为：接受一般淬火配时出现断裂。分析认为：接受一般淬火的热处理方式，波形垫圈系高碳弹簧钢淬的热处理方式，波形垫圈系高碳弹

18、簧钢淬火加中温回火，形成回火托氏体组织，氢火加中温回火，形成回火托氏体组织，氢脆敏感性增加，导致装配时产生氢脆断裂，脆敏感性增加，导致装配时产生氢脆断裂，经接受等温淬火后，未再出现氢脆问题。经接受等温淬火后，未再出现氢脆问题。2.9 高强度螺栓在进行表面处理时，应充分考高强度螺栓在进行表面处理时，应充分考虑防氢脆措施虑防氢脆措施对于高强度螺栓，应尽量避开接受渗氢严对于高强度螺栓，应尽量避开接受渗氢严峻的表面处理工艺，如接受电镀锌、强酸峻的表面处理工艺，如接受电镀锌、强酸洗、电化学阴极除油和阴极、阳极交替除洗、电化学阴极除油和阴极、阳极交替除油等表面处理工艺。油等表面处理工艺。高强度螺栓除油时可

19、用用阳极电解除油，高强度螺栓除油时可用用阳极电解除油，为去除螺栓表面氧化皮进行酸洗时，应尽为去除螺栓表面氧化皮进行酸洗时，应尽量接受稀的盐酸并加入缓蚀剂和表面活性量接受稀的盐酸并加入缓蚀剂和表面活性剂，严禁用强酸洗，同时可探讨接受喷砂、剂，严禁用强酸洗，同时可探讨接受喷砂、喷丸、液体喷砂等机械手段代替酸洗。喷丸、液体喷砂等机械手段代替酸洗。2.10 电镀件应按标准要求刚好驱氢电镀件应按标准要求刚好驱氢对电镀后的螺栓、螺母进行对电镀后的螺栓、螺母进行190210、68h的烘烤的热处理，称为驱氢处理。其的烘烤的热处理，称为驱氢处理。其目的是通过加强氢原子的热运动，使聚集目的是通过加强氢原子的热运动

20、，使聚集于材料表面的氢原子从工件表面逸出，或于材料表面的氢原子从工件表面逸出，或内部扩散，降低局部浓度，减轻氢原子的内部扩散，降低局部浓度，减轻氢原子的聚集，以防止氢脆断裂。聚集，以防止氢脆断裂。驱氢处理并不能使氢原子全部逸出工件表面，驱氢处理并不能使氢原子全部逸出工件表面，氢原子向金属内部扩散须要的能量比较小，而氢原子向金属内部扩散须要的能量比较小，而向外扩散要克服表面能和金属镀层的阻碍，所向外扩散要克服表面能和金属镀层的阻碍，所以逸出表面的氢原子只是一部分。扩散在材料以逸出表面的氢原子只是一部分。扩散在材料内部的氢原子还有可能在晶格缺陷、晶界或材内部的氢原子还有可能在晶格缺陷、晶界或材料内

21、应力大的部位聚集，因此驱氢只能减轻而料内应力大的部位聚集，因此驱氢只能减轻而不能彻底消退氢脆隐患。不能彻底消退氢脆隐患。必需留意的是，具有氢脆敏感性组制的高强度必需留意的是，具有氢脆敏感性组制的高强度螺栓重复电镀，尽管每次电镀后都进行驱氢。螺栓重复电镀，尽管每次电镀后都进行驱氢。但氢原子在材料内部会渐渐累积，其氢脆的紧但氢原子在材料内部会渐渐累积，其氢脆的紧急性会越来越高，所以具有氢脆倾向的高强度急性会越来越高，所以具有氢脆倾向的高强度螺栓不允很多次电镀。螺栓不允很多次电镀。3.结语结语紧固件氢脆探讨是多领域的问题。氢脆断紧固件氢脆探讨是多领域的问题。氢脆断裂往往具有隐藏性、延迟性、突发性、偶

22、裂往往具有隐藏性、延迟性、突发性、偶然性、必定性等几方面特点，因此具有极然性、必定性等几方面特点，因此具有极大的紧急性和破坏性，一旦发生氢脆，往大的紧急性和破坏性，一旦发生氢脆，往往会导致灾难性后果。本文提出的往会导致灾难性后果。本文提出的10项原项原则，实行主动有效的防治措施，可以在很则，实行主动有效的防治措施，可以在很大程度上避开氢脆的发生。大程度上避开氢脆的发生。参考文献参考文献1 周德惠，谭云周德惠，谭云.金属的环境氢脆及试验技术金属的环境氢脆及试验技术M.北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，1998.2 储武扬储武扬.氢损伤和滞后断裂氢损伤和滞后断裂M.北京：冶金工北京：冶金工业出版社，业出版社，1988.3 孙小炎孙小炎.合金钢螺栓的氢脆合金钢螺栓的氢脆J.航天标准化航天标准化,2012（1）：）：12-13.4 孙小炎孙小炎.螺栓氢脆问题探讨螺栓氢脆问题探讨J.航天标准化航天标准化,2007（2）：）：1-5.5 张先鸣张先鸣.汽车高强度紧固件氢脆的产生与对策汽车高强度紧固件氢脆的产生与对策J.紧固件，紧固件，2006（5）：）：114-118.6 张先鸣张先鸣.氢脆的探讨的新进展氢脆的探讨的新进展J.紧固件，紧固件，2011（32）：）：104-107.感谢！