新闻资讯NEWS

谈氢色变-氢脆只可防

发表时间:2020-3-19 9:31:55  作者:三圆  来源:三圆  浏览量:1859

在一般的电镀过程中,通过电解溶液在阴极上析出金属离子外还伴随着氢离子的析出,这种析氢的不利影响就是发生氢脆现象,以致金属基体发生裂纹至断裂,引发安全事故。所以,在电镀的表面处理中,氢脆一直是不可避免的话题。

1、什么是氢脆

氢脆是溶于钢中的氢,聚合为氢分子,造成应力集中,当超过钢的强度极限,会在钢内部形成细小的裂纹。

防松原理

弹性锁紧环在自由状态时向下呈一定角度且其本身内径略小于螺栓大径。在拧紧螺栓时,锁紧环自动向上抬升且水平切向螺栓螺纹。同时由于螺栓的拧入,螺母会对螺栓螺纹产生向下的压紧力,这样就使螺栓受到全方位360度锁紧,从而达到锁紧效果。

氢脆现象及其机理

氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。氢脆与氢的扩散有关,然而扩散是需要时间的。扩散速度与氢浓度、温度和材料的种类都息息相关。因此,氢脆通常表现为延迟断裂。

氢脆机理可理解为零件内部的氢向应力集中的部位聚集,而这些部位的金属缺陷较多(如原子点阵错位、空穴等),当氢扩散到这些缺陷处,氢原子合成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力以及材料所承受的外部应力,组成一个合力,当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生。氢原子具有最小的原子半径,容易在钢、铜等金属中扩散,而在镉、锡、锌及其合金中氢的扩散比较困难。

其实,氢脆的机理很复杂,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。

2、氢脆的预防措施

氢脆现象不仅源于电镀酸洗,还可能是服役环境中吸收的氢而引发氢脆。鉴于氢脆的危险性,合理的预防措施将变得尤为重要。

高强度钢应具备高韧性和抗延迟断裂能力

对于高强度螺栓,要尽量避免选用含碳的马氏体强化钢,要优先选择CrMo,CrMoV系列钢,这类钢氢脆敏感性低,有较高的断裂韧度和抗延迟断裂能力。

选用的高强度钢应杂质少,纯度高

由于As、P等杂质元素易于晶界偏聚,降低了晶界的断裂强度,当选用高强度钢材,钢对氢脆的敏感性明显增加。相反,钢中杂质含量少,钢材纯度得到提高,则降低钢对氢脆的敏感性。当我们选用10.9级/12.9级的高强度螺栓,应选用冶炼质量高的钢材来保证其纯度,降低其杂质。

热处理工艺应进行合理选择

高强度螺栓热处理工艺中尽可能选用较低的淬火温度和较高的回火温度,当然还要达到所需要的显微组织。高强度螺栓淬火后,氢脆敏感性随回火温度升高逐渐减小。在高温回火状态,晶界碳化物作为氢的强陷阱捕集大量的氢,有效降低界面处氢的浓度,改善了抗氢脆性能。

高强度紧固件可选无氢脆涂覆

对于10.9级螺栓原则上一般不建议电镀。对于10.9级或以上级别螺栓建议采用非电解锌片涂层如锌铝涂层,也可选用机械镀锌等。若执意电镀,可考虑低氢电镀,镀前应回火消除应力,可使用喷砂、抛丸等工艺代替酸洗去除氧化皮和表面油污,避免强酸洗。电镀过程中还应严格控制电流密度,减少氢离子的吸附量。

充分考虑服役环境,避免发生环境氢脆

高强度螺栓在常温条件下与水、腐蚀性介质等长时间接触会发生电化学腐蚀,如果发生析氢腐蚀反应可导致螺栓表面吸氢而发生氢脆。

高强度钢应具备高韧性和抗延迟断裂能力

对于高强度螺栓,要尽量避免选用含碳的马氏体强化钢,要优先选择CrMo,CrMoV系列钢,这类钢氢脆敏感性低,有较高的断裂韧度和抗延迟断裂能力。

选用的高强度钢应杂质少,纯度高

由于As、P等杂质元素易于晶界偏聚,降低了晶界的断裂强度,当选用高强度钢材,钢对氢脆的敏感性明显增加。相反,钢中杂质含量少,钢材纯度得到提高,则降低钢对氢脆的敏感性。当我们选用10.9级/12.9级的高强度螺栓,应选用冶炼质量高的钢材来保证其纯度,降低其杂质。

热处理工艺应进行合理选择

高强度螺栓热处理工艺中尽可能选用较低的淬火温度和较高的回火温度,当然还要达到所需要的显微组织。高强度螺栓淬火后,氢脆敏感性随回火温度升高逐渐减小。在高温回火状态,晶界碳化物作为氢的强陷阱捕集大量的氢,有效降低界面处氢的浓度,改善了抗氢脆性能。

高强度紧固件可选无氢脆涂覆

对于10.9级螺栓原则上一般不建议电镀。对于10.9级或以上级别螺栓建议采用非电解锌片涂层如锌铝涂层,也可选用机械镀锌等。若执意电镀,可考虑低氢电镀,镀前应回火消除应力,可使用喷砂、抛丸等工艺代替酸洗去除氧化皮和表面油污,避免强酸洗。电镀过程中还应严格控制电流密度,减少氢离子的吸附量。

充分考虑服役环境,避免发生环境氢脆

高强度螺栓在常温条件下与水、腐蚀性介质等长时间接触会发生电化学腐蚀,如果发生析氢腐蚀反应可导致螺栓表面吸氢而发生氢脆。

电镀后及时做驱氢处理

对电镀锌的紧固件应及时进行驱氢处理。其目的是使聚集于材料表面的H原子从工件表面逸出,降低局部浓度,减轻H原子的聚集,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,H原子也可能向金属内部扩散。扩散在材料内部的氢原子还有可能在晶格缺陷、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风险。

3、氢脆的实验方法

检测氢脆的实验方法主要根据GB3098.17的预载荷实验-平行支撑面法。

试验必要性以及适用范围

氢脆会引起钢铁基体韧性以及承载能力的降低,使其发生断裂失效,这种失效是由氢引起的具有一定延迟性的脆性失效。带有这种隐患的螺栓可能在常规的拉力实验中无法及时发现其韧性降低,但是我们可根GB3098.17 在常温下进行预载荷试验-平行支撑面法来检查氢脆 。

如试件本身对氢脆敏感性高又具有氢脆倾向,是很有必要进行预载荷实验。氢脆敏感性高的紧固件其本身存在游离氢含量也增多,在承受拉力的时候就可能发生脆性破坏。如果这种紧固件材质本身已经吸收氢,其发生破坏的倾向就越大。

该标准适用于由钢制成并承受拉应力的下述紧固件,且试验温度范围为10-35℃。
1.螺栓、螺钉、螺柱;
2.自挤螺钉
3.自攻螺钉
4.自钻自攻螺钉
5.螺母
6.垫圈

试验程序与方法(以锥形弹垫为例)
将锥形弹垫试件装到与其公称直径相匹配的螺栓上
用平垫将每个锥形弹垫相互隔开
平垫硬度大于锥形弹垫的硬度且最低硬度为40HRC
扳拧螺母,直至与第一个垫圈接触
拧紧组件,直至将锥形弹垫完全压平

试验最少持续48h,紧固件至少每隔24h重拧一次,施加到初始试验拧紧扭矩或载荷,如果至少有一件紧固件的扭矩损失超过50%,试验应在相同的紧固件上重新开始。试件若无任何目测可见的裂缝和断裂,则通过该试验。
上一篇: 防松螺母的类型与特点 下一篇:父亲的弹垫厂