螺栓的氢脆断裂分析

1、氢脆断裂得种类很多，主要分为氢蚀断裂、口点断裂、氢化物致 脆断裂与氢致延滞断裂。螺钉氢脆断裂通常特指就是氢致延滞断裂: 氢原子侵入螺钉得基体材料，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 就是常见得螺钉失效模式。螺钉氢脆断裂通常发生于经过热处理与电镀处理得高强度普通 螺纹螺钉与表面硬度较高得自攻螺纹螺钉，大多发生在螺钉头与螺杆 或光杆与螺纹交接得部位。螺钉氢脆断裂一般在螺钉组装后4 8小时内发生。判定螺钉断裂就定否为氢脆断裂最直观得方法就是观察断口形 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，

2、无明显得塑性变形，断而明显可分成裂纹源 区与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 纹源区从螺纹得根部开始,沿着螺纹旋转得方向开裂；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，晶粒表而存在大a得 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得穿晶 断裂，通常沿一定得严格得晶面分离，同时伴随一定得塑性变形痕迹） 形貌，部分区域存在韧窝（小凹坑）及沿晶断裂形貌。螺钉基体材料得氢含量也就是判定就是否为氢脆断裂得重要依 据。氢含量可

3、用氧氮氢分析仪测得，主要就是瞧含氢量相对于合格得 螺钉或电镀处理前得螺钉就是否有显著增加。碳钢材料允许得氢含量 尚无严格得标准，但氢对碳钢材料会造成损害就是确定无疑得，含氢 量得多寡仅表现为对碳钢材料损伤程度得差别。螺钉得氢脆断裂机理非常复杂，自2 0世纪40年代螺钉氢脆断裂问题被发现以来，其断裂机理一直就是学术界得研究热点，但至今还 就是没有统一得认知。比较有名得理论有四种：氢压理论.氢表面吸 附理论.晶格脆化理论与位错理论。其中位错理论能相对较好地解释 螺钉氢脆断裂得特点，位错理论认为：当温度低于某一临界温度时, 基体材料中得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

4、不就是太低得情况下，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，因此产生局部得加工硬化。在外力作用下, 当位错运动到晶界或其她障碍物时，必然会产生位错在该处得堆积与 氢在该处得富集，如果外力足够大，则在位错堆积得端部产生应力集 中，最后导致基体开裂。造成螺钉氢脆断裂得主要因素有基体材料得氢脆敏感性、螺钉得 表而状况、螺钉冷加工与热处理后得残余内应力、制造过程中侵入螺 钉基体材料得氢.环境温度、螺钉组装后承受得外加载荷等等。碳钢材料得氢脆敏感性与其强度息息相关，强度越高氢脆敏感性 越高。强度与碳钢得含碳量与显微组织有关。实验

5、与事实证明，珠光 体组织、铁素体组织得氢脆敏感性远低于马氏体组织，网状分布得高 碳马氏体组织得氢脆敏感性最高。电子产品常用得普通螺纹螺钉不需 要热处理，强度等级较低，其材料显微组织中大部分都就是铁素体或 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，需要考虑氢脆断裂得风 险。碳钢材料得强度与硬度有很好得对应关系,用硬度来表现碳钢材 料得氢脆敏感性更为直观与方便测得。一般来说,硬度在38HRC左右 时开始呈现氢脆断裂得危险，硬度高于43IIRC时，应考虑去氢处理, 硬度高于60

6、11 RC时，表面处理后必须立即进行去氢处理。生产实践表明，螺钉电镀前得酸洗工序与电镀工序就是制造过程 中氢侵入基体材料得关键环节,且不可避免。可靠得对策就是在螺钉 电镀后增加去氢处理工序。一般来说，螺钉冷加工与热处理后多少都 有残余内应力，当氢侵入螺钉基体材料，一段时间后，在残余内应力得 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与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。去氢处理实际上就是个烘烤过程，在190230摄氏度得温度下与 规定得时间内烘烤螺钉，将螺钉基体材料中得氢蒸发与不可逆收集而 释放氢原子。

7、尽管去氢处理只能除去很小得一部份氢,但去氢处理可 使基体材料中得氢重新分布，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.材料得硬度、镀层类型与镀层厚度。烘烤 时间通常在224小时内选取，很多标准都有推荐得烘烤时间，如ASTMB 8 50规定自攻螺钉得最短烘烤时间为2小时，自攻锁紧螺钉得最短烘烤时间为4小时。值得注意得就是，完整得螺钉电镀处理工序还包插钝化处理，而 电镀钝化膜只能承受6 07 0摄氏度得温度，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。经过去氢处理得螺钉应进行氢脆测试，以检验去氢就是否彻底, 各国国家标准都有明确定义得氢脆测试方法。自攻螺钉通常以破断扭 矩得80%作为拧紧扭矩将螺钉旋入测试钢板上得标准光孔，保持24小 时，将螺钉松退后再次以原拧紧扭矩旋入，保持2 4小时后，松退螺钉,目视检查螺钉就是否破断。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得标准螺纹孔。测试普通螺纹螺钉时,如使用46度得垫楔板,则测试结果更可靠。还有一种非常简便实用得方法可以测试去氢效果:烧杯盛取适量 得