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氢脆失效危害巨大,它是如何发生的,生产过程中如何预防?来了解一下

2021-05-22 17:22390

  一、氢脆的概念及机理

  氢脆是工程失效分析中经常提到的一个术语。顾名思义,它是由氢引起的金属材料的脆化。其机理是氢原子沿晶界进驻晶界并向内扩散并聚集,并在应力作用下最终导致沿晶界开裂,从而导致金属材料最终产生脆性断裂。与氢脆相关联的另一种失效模式是应力腐蚀。

  氢脆机理非常复杂,氢脆断裂现象多种多样。国内外氢脆理论有很多种,如位错钉扎理论、晶界聚集理论、氢气泡理论、脆性相理论等。迄今为止,还没有统一的理论能够解释所有的氢脆现象。

  但从理论上讲,氢不仅能使金属材料变脆,也能使金属材料变韧,即氢能致软化也能硬化。在失效分析中,特别是在断裂分析中,裂纹并不总是以脆性的形式出现,而是也会以韧窝断裂的形式出现。

二、氢的来源及其在金属中的存在形态

  金属材料中氢的来源一般有两种。一种是内氢,也就是材料内部含有的氢,其来源有:

  金属材料在冶炼、焊接或熔铸的时候导致内部残留的氢;

  金属材料在化学及电化学处理过程中,如电镀、酸洗时,进入金属内部的氢。

  另一种是环境氢,即外来的氢。零件或构件处于含氢的环境中工作,简称“临氢”。金属材料在含氢的高温气氛中加热时,进入金属内部的氢。

  氢在金属中的存在形态有如下几种:

  溶解氢:以间隙原子状态固溶于金属中的氢[H];

  化合氢:形成各种氢化物;TiH、NiH、VH、ZrH、NbH等

  分子氢:气态H2存在于金属内部的气孔、裂缝中;

  氢还可以与各种合金元素溶质原子、晶体缺陷、各种化合物相发生程度不同的结合。如与位错结合成为Cottrell气团。

  三、氢脆的种类及其特征

  1. 氢蚀(氢+第二相→高压气体)

  发生氢鼓泡的温度较高,在205-595℃。例如碳钢在300-500℃的高压氢气氛中工作,氢与钢中的碳结合生成CH4而断裂。反应公式:H+C=H4C。宏观断口形貌呈氧化色,颗粒状;微观断口晶界明显加宽,呈沿晶断裂。

2. 白点(发裂)

  通常发生于大型钢锻件中。一般认为冶炼或热加工时溶入的过量氢在钢冷却时未能扩散逸出,便聚集在缺陷处形成氢分子。氢体积急剧膨胀,内压力很大将金属局部撕裂,形成裂纹。微裂纹断面为圆形(椭圆形)呈银白色,故称为白点。

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10CrNiMoV钢锻材中的白点形貌

  3. 氢化物致脆

  与氢有较大亲和力的ⅣB、ⅤB族金属,极易生成脆性氢化物,使金属脆化。晶粒粗大时,氢化物在晶界上呈薄片状→较大应力集中→危害大;晶粒细小时,氢化物块状不连续分布→危害小。

  这种氢化物又分为两类:

  一类是熔融金属凝固时,由于氢的溶解度降低而从过饱和固溶体中析出时形成的,称为自发形成氢化物;

  另一类是在含氢量较低的情况下,受外加拉应力作用,使原来基本是均匀分布的氢逐渐聚集到裂纹前沿或微孔附近等应力集中处,当其达到足够浓度后,也会析出而形成氢化物,称为应力感生氢化物。

  4.氢致延滞断裂

  由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。工程上的氢脆,大多是指这类氢脆。

  其特点有:1)只在一定温度范围内出现;-100-150℃2)提高应变速率,材料对氢脆的敏感性降低;3)显著降低断后伸长率和断面收缩率,强度越高材料越敏感;4)高强度钢的氢致延滞断裂具有可逆性;5)慢拉出现塑性降低,停顿后再快拉则塑性得到恢复。

  宏观脆性特征:裂纹从次表面或内部开始。断口较平整;

  微观特征:大多沿晶断裂,几乎不分叉,有二次裂纹。

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  四、钢的氢致延滞断裂机理新裂纹与原裂纹的尖端相汇合,裂纹便扩展一段距离,随后又停止,如图所示,以后是再孕育、再扩展,最后当裂纹经亚稳扩展达到临界尺寸时便失稳扩展而断裂,因而,氢脆裂纹的扩展方式是步进式的。

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  氢脆裂纹的扩展过程,三个阶段:孕育,裂纹亚稳扩展,失稳扩展阶段

  五、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系

  氢致延滞断裂与应力腐蚀都是由于应力和化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象,两者关系十分密切:产生应力腐蚀时总是伴随有氢的析出,析出的氢又易于形成氢致延滞断裂。两者的区别在于应力腐蚀为阳极溶解过程,而氢致延滞断裂则为阴极吸氢过程。

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应力腐蚀与氢致延滞断裂电化学原理比较

  a)、c)应力腐蚀,b)、d)氢致延滞断裂

  对于一个已断裂的机件来说,还可以从断口形貌上加以区分,如下表所示。

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六、预防氢脆的控制措施

  氢脆受环境、力学因素、材质以及显微组织的影响。

  1. 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。

  对于有高强度要求的10.9级或以上级螺栓,要尽量避免选用含碳马氏体强化钢,如40Cr、40Mn2钢,而优先选择CrMo、CrMoV系钢,如10.9级螺栓可考虑选用38SiMnVB、35CrMoA和42CrMoA钢;12.9级螺栓选用35CrMoV、45CrNiMoV 和42CrMoVNb钢,此类材料的主要强化机制为以弥散析出的第二相强化,氢脆敏感性低,有较高的断裂韧度和抗延迟断裂能力。

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  2.选用高强度钢时,应保证材料洁净度要求。

  钢中P、S、Sn、As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,对于有氢脆风险的高强度零件,应选用冶炼质量级别相对较高的钢,保证材料有较好的洁净度,钢材内部缺陷偏析、疏松不允许存在,并选择材料综合性能最好的强度水平。

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  3. 热处理工艺制定时,应综合考虑零件的强韧性,尽可能降低材料使用应力。

  对于强度较高的零件,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,但必须达到所要求的显微组织。一般情况下,在钢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1ppm的条件以下不会发生氢脆断裂;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1ppm的条件下,氢脆敏感性急剧增加。资料表明,当螺栓硬度为35HRC以上,氢含量高于5~10ppm时,或螺栓硬度在40HRC以上,氢含量高于1ppm时发生氢脆的可能性极大。

  4.对表面有强化要求的紧固件,必须使用降低氢含量的工艺生产。

  渗碳淬火过程中必然伴随着氢的渗入,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,渗氢量也越大,通氨气使渗氢量提高。在渗碳扩散阶段,可采用通氮气保护,降低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、黑带),易造成氢陷阱,必须制止。

  原材料组织均匀,非金属夹杂物小、少并细化,可使脱氢效果增加。氢的消除随回火温度的升高,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、自攻自钻螺钉、高强度垫圈,尽量选择较高的回火温度回火,淬火后立即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。

  5. 非标异型件设计避免因面积突变、尖缺口等造成大的应力集中。

  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,从而造成高应力区的氢脆。因此,非标异型件设计应避免截面的突变,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系数。

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  6. 高强度螺栓进行防腐处理时,采用低氢脆电镀或无氢脆涂覆。

  对于10.9级螺栓原则上一般不主张电镀锌,若采用低氢脆电镀时,其工艺特点为镀前需进行消除应力回火,禁止强酸清洗,使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,电镀过程中严格控制电流密度,减少氢粒子的吸附量。对于10.9级或以上级螺栓尽量采用无氢脆涂覆,主要包括机械镀锌、粉末渗锌、锌铬涂覆层等。

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达克罗涂镀线

  7. 根据紧固件性能要求,选择适宜的热处理工艺。

  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顺序为马氏体、上贝氏体、下贝氏体、索氏体、珠光体、奥氏体。高强度螺栓的机械性能必须通过热处理淬火加回火完成的,在此过程中采用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织,还可以降低螺栓对氢脆的敏感性。如果采用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。

  8.高强度螺栓在进行表面处理时,应充分考虑防氢脆措施。

  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,应尽量采用稀的盐酸并加入缓蚀剂和表面活性剂,严禁用强酸洗,同时可研究采用喷砂、喷丸、液体喷砂等机械手段代替酸洗。

  9.电镀件应按标准要求及时驱氢。

  对电镀后的螺栓、螺母进行190~210℃、6~8h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,减轻氢原子的聚集,以防止氢脆断裂。

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  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需要的能量比较小,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、晶界或材料内应力大的部位聚集,因此驱氢只能减轻而不能彻底消除氢脆隐患。

  必须注意的是,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。但氢原子在材料内部会逐渐累积,其氢脆的危险性会越来越高,所以具有氢脆倾向的高强度螺栓不允许多次电镀。


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