氢脆问题培训

1氢脆问题培训2一航材料院一.氢脆概要二.氢脆试验方法三.低氢脆防护工艺目录3一航材料院一氢脆概要氢脆定义:高强度结构钢在相当低的的使用应力下,由氢所所诱发的灾难性脆性断裂。发生氢脆断裂的三个必要条件：1.钢必须热处理到某种相当高的强度水平。一般来说，随着钢的强度水平的提高，断裂的时间就减少。2.钢必须承受某一高于某种最低值的静载拉伸应力。这种最小应力值取决于钢的强度水平。3.钢必须含有超过某一最低量的氢，而这种氢必须能通过钢而自由扩散。氢脆的发生，就是氢在应力作用下会向应力集中区迁移。氢以某种方式削弱了钢的内部键合力。当足够的氢聚集时，裂纹就开始了。高的应力以及氢向裂纹尖端移动，这个过程一直继续到发生断裂为止。4一航材料院一氢脆概要高强度钢静拉应力可扩散氢热处理焊接表面处理涂漆合金元素热处理制度金相组织设计应力使用应力加工残余应力应力集中氢脆5一航材料院一氢脆概要几个概念：内部氢脆环境氢脆可逆性氢脆不可逆性氢脆后脆延迟破坏6一航材料院一氢脆概要后脆示意图：图1-1.30CrMnSiNi2A钢在3.5%NaCl介质（35℃）中的应力—破断时间曲线7一航材料院一氢脆概要钢的强度级别与氢脆敏感性(表1-1)合金抗拉强度（ksi)敏感性最高的1组AISI4340(低合金钢）AISI4130(低合金钢）2601802组AISIH-11(低合金钢）17-4PH(耐蚀钢）2602003组AM355(耐蚀钢）AISI410(耐蚀钢）18NiMaraging(低合金钢）AISIE8740(低合金钢）1801602601804组17-7PH(耐蚀钢）200敏感性最低的5组718合金（镍基合金）Waspaloy（镍基合金）Rene’41（镍基合金）U-212(耐蚀钢）1801902001808一航材料院一氢脆概要一种钢不同强度水平对氢脆的敏感性(图1-2)9一航材料院一氢脆概要氢脆的门槛应力与门槛氢含量的关系(图1-3)10一航材料院一氢脆概要减少氢脆危险1.选材—应选强度级别较高而氢脆敏感性较小的材料2.设计—应尽可能采用低的热处理水平和最清洁的材料；零件应尽可能承受低的持续拉伸载荷；应尽可能减少应力集中的可能性（截面变化等）。3.热处理—采用表面无氧化、不脱碳、不增碳、不产生内应力、不变形和不吸氢的工艺（真空热处理、可控气氛热处理）。4.表面处理—采用无脆性或低脆性工艺、镀前消除应力、喷丸强化、镀后长时间除氢、氢脆试验。11一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验法（延迟破坏试验）¤缺口拉伸试验（ASTMF519)¤应力环试验（ASTMF519)¤紧固件倾斜楔子试验（ASTMB839)*快速试验方法¤逐步加载试验—ASTMF1624（钢的氢脆门槛值）—ASTMF1940（工艺控制检验）¤慢应变速率试验可扩散氢测定法*非电化学测试方法¤锂核微探头测量法¤钕箔测试法*电化学测试法¤劳伦斯测氢仪试验（ASTMF326）¤电化学渗透法——双电解池试验——单电解池试验（依附电极试验ASTMF1113）12一航材料院二氢脆试验方法在3.075Mev动能下,7Li离子与表面的氢原子核反应,生成第五激发态的8Be7Li+1H→8Be+γ而8Be由于放射出17.6或14.74Mev的γ射线而迅速衰减。所放射的γ射线数量与被探测深度下氢原子核的数量成正比。依靠控制入射7Li射线的能量，可以改变探测深度。非电化学方法测定可扩散氢--锂核微探头测量法(图2-1)13一航材料院二氢脆试验方法图2-2D6AC钢镀1.3μm镉，在整个1.9μm深度内存在大约平均250ppm的氢14一航材料院二氢脆试验方法图2-31.3μm镉镀层序列在1.6μm下的氢活度射线能量储存增加，产生热量增加，氢扩散增加，测出浓度下降；可看出镀前、镀后，除氢后氢浓度变化：镀前为25-75ppm，除氢没有使氢浓度降到低于100ppm以下。15一航材料院二氢脆试验方法图2-4对于5.1μm铬镀层序列的氢活度测量深度为0.6μm和1.3μm，电镀之后，氢浓度超过500ppm；16一航材料院二氢脆试验方法图2-5在镀2.5μm镉的D6AC钢中氢浓度-深度分布图17一航材料院二氢脆试验方法非电化学方法测定可扩散氢——钕箔测试条试验测试原理(图2-6)NdNdH2NdH2HH氢测定条飞机主起落架装置（AISI4340)Nd+2HNdH2300℉（149℃），1h测试结果：如果NdH2反应部位是直观（肉眼）可见，局部氢浓度将大于150ppm；光学显微镜和扫描电镜读数可连续测定从150到1ppm以下（在1μm的位置）。光学显微镜到0.01ppm，扫描电镜到0.001ppm。18一航材料院二氢脆试验方法非电化学方法测定可扩散氢——钕箔测试条试验图2-74340型钢的持续载荷应力对氢含量的临界破坏曲线19一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验法——缺口拉伸试验（ASTMF519,Ⅰa型试样）75%σbh下静载拉伸，200h不断为合格图2-8F5191a型试样图图2-9HB5067缺口拉伸试样20一航材料院二氢脆试验方法图2-10拉力试验机持续载荷试验法——缺口拉伸试验（ASTMF519）21一航材料院二氢脆试验方法关注几个问题1.试验方法的依据，苛刻性，仲裁性；2.试样的加工是关键；3.试样的材料问题；4.试样的敏感性问题。持续载荷试验法——缺口拉伸试验（ASTMF519）22一航材料院二氢脆试验方法1.缺口持久拉伸试验法的依据（苛刻性，仲裁性）——拉伸应力，应力大，应力集中kt=3或4持续载荷试验法——缺口拉伸试验（ASTMF519）应力集中部位，应力最大；氢向应力集中部位迁移，氢浓度最大；200h有利于氢的迁移，适应延迟破坏机理。图2-11应力集中示意图23一航材料院二氢脆试验方法图2-12在某一给定施加应力水平及热处理的4340钢缺口试样对230ksi（1586Mpa）强度水平的应力比之下，在300℉（149℃)烘烤对断裂时间的影响。（按Troiano)研究这幅图，就可推断，在75%σNTS下，断裂会在200h之内出现；研究这幅图，还可更精确地表明，20h不断就基本上不会断。大量氢脆试验结果证明：严重的氢脆会在几分钟至几小时之内断裂；有时十几小时或几十小时也有断裂的，说明有氢脆，但较轻；一般几十小时或一百小时后，基本上不会断，低氢脆性就是就是合格的。24一航材料院二氢脆试验方法2.缺口拉伸试样的加工是关键——波音公司D6-4307，缺口拉伸试样的制作和规范图2-13五个缺口的试样25一航材料院二氢脆试验方法3.缺口拉伸试样的材料问题由于钢的强度级别越高，对氢脆越敏感，所以ASTMF519规定用最坏情况的，按MIL-S-5000空气熔炼的AISI4340钢，其硬度在HRC=51-53来加工所有试样。我们没有4340这种材料，所以HB5067规定可采用与零件相同的材料和热处理状态的试样。我们曾经先后相应地用过30CrMnSiNi2A,GC-4,300M,AF1410和A100等钢试样。26一航材料院二氢脆试验方法4.试样的敏感性问题一批试样在用于鉴定或仲裁某一电镀工艺（或其他工艺）的氢脆性是否合格之前，必须首先检验试样对氢脆的敏感性，以确认试样的资格。27一航材料院二氢脆试验方法表2-1当对AISI4340钢的批次进行敏感性试验电镀槽液成分和操作条件项目处理A处理B槽液成分:镉(以CdO)4.5OZ/gal(33.7g/l)4.5OZ/gal(33.7g/l)氰化钠(NaCN)14OZ/gal(104g/l)14OZ/gal(104g/l)NaCN/CdO之比33pH1212温度70-90℉(21-32℃)70-90℉(21-32℃)氢氧化钠2.5OZ/gal(18.7g/l)2.5OZ/gal(18.7g/l)光亮剂,如Rohco20×L或相当的2.0OZ/gal(15.0g/l)-电镀电流10A/ft2(108A/m2)60A/ft2(645A/m2)电镀时间30min6min烘烤:烘烤温度:375±25℉(190±14℃)375±25℉(190±14℃)烘烤时间:Type1试样不烘烤23h烘烤时间:Type2a试样8h23h28一航材料院二氢脆试验方法表2-2波音公司试样氢脆敏感性规定缺口敏感性按BAC5701电镀镉的试样当加载75%缺口拉伸极限强度时在48小时内全部断裂按BAC5804电镀镉钛的试样当加载75%缺口拉伸极限强度所保持200小时无一个断裂29一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验法----应力环试验(ASTMF5192a型试样,ASTMSTP543O型应力环试验)图2-14加应力前的应力环试样图2-15嵌入了应力棒的应力环图2-16不同长度的应力棒图2-17表明应力和应力环致偏度的关系图30一航材料院二氢脆试验方法表2-3应力棒尺寸棒号No.棒的尺寸mm(英寸)变形mm(英寸)应力kg/mm2(ksi)强度(百分数)164.1(2.525)5.72(0.225)174(248)92%极限抗拉强度262.4(2.454)3.91(0.154)147(209)95%屈服强度361.3(2.415)2.92(0.115)124(176)80%屈服强度460.6(2.387)2.21(0.087)93(132)60%屈服强度90%极限抗拉强度下,168h不断为合格。应力环敏感性试验：¤3个应力环，光亮氰化镀镉，10A/ft2下镀30min，375℉除氢8h，加载90%σb，24h内应断裂；¤3个应力环，按DPS9.28松孔镀镉，60A/ft2下镀6min，375℉除氢23h，加载90%σb，应该168h不断（ASTMF519规定200h)。评价：应力环灵敏度比缺口根部半径为0.003英寸的缺口拉棒试样低；比缺口根部半径为0.005英寸的缺口拉棒试样高。31一航材料院二氢脆试验方法图2-18６楔子和平行垫板的例子持续载荷试验法——紧固件倾斜楔子试验（ＡＳＴＭＢ３８９）扭矩法加载至７５％b级别：４８h不破坏９６h不破坏２００h不破坏32一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验——快速试验方法（1）逐步加载试验¤ASTMF519附录A3¤ASTMF1624钢的氢脆门槛值¤ASTMF1940紧固件工艺控制检验缺口方棒试样四点弯曲加载逐渐分步加载33一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验——快速试验方法（1）逐步加载试验图2-19缺口方棒试样图34一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验——快速试验方法（1）逐步加载试验表2-4关于快速的（≤24h)分步加载门槛值测定对分布加载曲线的最低要求%FS#hΣh%FS#hΣh%FS#hΣh%FS#hΣh101150157019901132012551670110951143013601780111100115401465188511210511635一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验——快速试验方法（1）逐步加载试验分步加载试验的根据是Traiono的试验图2-20利用在149℃（300℉）烘烤不同时间所得各种氢浓度下的持续载荷破断曲线、尖缺口试样、强度水平230ksi，按Traiono36一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验——快速试验方法（1）逐步加载试验结果解释：断裂出现在低端，就存在严重氢脆；断裂出现在高端，就有某些残余氢存在；整个8h试验期间未断裂，就没有残余氢存在。37一航材料院二氢脆试验方法持续载荷试验——快速试验方法（1）逐步加载试验表2-5分步加载——增加载荷的缺口棒氢脆（HEM）试验基体拉断载荷的%试验时间，h506575859095拉断111111…注：合格标准：在小于基体断裂载荷的2%以下的任何载荷下不得断裂38一航材料院二氢脆试验方法表2-6氢脆（HEM）拉力试验概要试棒标志试棒型式试棒直径（英寸）试验载荷（磅）断裂载荷（磅）完成电镀至完成氢脆试验所经过的时间，天基体(未电镀)基体基体基体E8-光滑E8-光滑E8-缺口0.2500.2500.