延迟断裂原因分析及预防措施

延迟断裂(氢脆化）原因分析及预防措施1氢脆现象2氢脆原理3裂纹形貌4氢脆失效的根本原因及共同特性5为防止延迟断裂质量事故之预防措施1氢脆现象氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象,在热处理、清洗、磷化处理、电镀、自身催化过程中，以及在服役环境中，由于阴极保护的反作用或腐蚀的反作用，氢离子都可能进入基体。在加工过程中，氢离子也可能进入，如辗制螺纹、机加工和钻削中因不适当的润滑而烧焦，还有焊接工序，零件经机械加工、磨削、冷镦成型或冷拔后，尤其再进行淬硬热处理，则极易受氢脆破坏。------氢脆的潜在倾向与产品表面处理及钢材内碳含量以及产品的硬度有关,且成正比。当产品脆性增加和表面处理（电镀电解化学反应）是造成氢脆化的主要因素。2氢脆原理延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷较多(原子点阵错位、空穴等)。氢扩散到这些缺陷处,氢离子合成氢原子，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及材料所承受的外加应力,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。氢脆化既然与氢的扩散有关,扩散是需要时间的,扩散的速度与氢浓度、温度和材料的种类有关。因此,氢脆化通常表现为延迟断裂。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。2氢脆原理镀镉层是最难扩散的,镀镉时产生的氢,最初停留在镀层中和镀层下的金属表层,很难向外扩散,去氢特别困难。经过一段时间后,氢扩散到金属内部,特别是进入金属内部缺陷处的氢,就很难扩散出来。常温下氢的扩散速度相当缓慢,所以需要即时加热去氢。温度升高,增加氢在钢中的溶解度,过高的温度会降低材料的硬度,所以镀前去应力和镀后去氢的温度选择,必须考虑不致于降低材料硬度,不得处于某些钢材的脆性回火温度,不得破坏镀层本身的性能。3裂纹形貌氢脆断口与其它脆性断口很相似,很容易混淆,因此在进行失效分析时应慎重对待断口失效模式。氢脆裂纹通常是单一裂纹,没有明显的分叉。裂纹可以是穿晶的,也可以是沿晶的,还可以是混合的。高强度材料和有杂质的材料出现沿晶断口的可能性大,这时的晶界面相对应力腐蚀断口来看比较干净光洁。在延展性不太好的合金中,断口失效模式大多呈现冰糖块状，有较多的沿晶微裂纹（晶面上有爪状纹）+二次裂纹+少量韧窝。在延展性好的低强度钢中,断口失效模式可能是韧窝,随着延展性下降,韧窝尺寸变小。3裂纹形貌低碳钢的氢致沿晶断口很独特。材料变形时空洞首先在FeC3上形核,但优先沿晶界扩展,这样就获得了所谓的“韧性沿晶断口”,即断口是沿晶的,但晶界面是由韧窝构成;或在沿晶小刻面上出现细小的、发育不完整的韧窝,即所谓“鸡爪痕”。有人认为这可能是氢气或甲烷气在晶界处形核的结果,也可能是氢增强局部塑性流变的结果。还有一种情况就是沿晶与撕裂棱上的韧窝共存,这也是氢脆断口的特征之一。3裂纹形貌氢脆断口在金相显微镜下呈现白点，呈银白色，轮廓分明，表面光亮且形状有许多圆形、卵形白斑即白点缺陷，白点表面呈粗晶状；宏观形貌与一般的脆性断口形态相似，其断口宏观上是齐平的，无塑性变形，有时可见到一些反光的小刻面、结晶状颗粒或放射状花样（类似发纹、瓜状纹、鸡瓜纹）。4氢脆失效的根本原因及共同特性1)所有的失效都是在组装之后发生，通常是在产品组装后1至48小时内发生，但没有一定的准确时间，氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。判断是否为氢脆，有一个较简单的方法，那就是如果螺丝或螺栓在组装后1到48小时内破坏，且破坏在头部与杆部或螺纹与杆的交接位置那大概就是氢脆破坏。若是从组织上观察，氢脆断面为一种晶界破裂，氢脆的断裂性质为脆性断裂。其断口宏观上是齐平的，无塑性变形。断裂的显微特征是沿晶型的也可以是穿晶型的。对于氢化物型氢脆，其裂纹沿晶界扩展，并在晶界上可看到粒状氢化物；4氢脆失效的根本原因及共同特性2)所有失效的零件都有电镀，零件的氢来自电镀过程中所用的酸液及无效电镀电解过程中的氢离子；3)所有的失效都呈现颗粒间的破坏特征，这意味着材料的晶界未经拉伸而突然破坏，破坏的表面看来像是断裂的结晶场（这里需注意：所有的氢脆化破坏都是在颗粒之间，但并非所有颗粒之间的破坏都是氢脆化造成的，产品组装之后经过数天、数周、数个月才发生颗粒之间的破坏，比较像是应力腐蚀而不是氢脆化，这意味着在产品运作环境中有某些外界因素与扣件发生作用而发生失效。4氢脆失效的根本原因及共同特性4)所有的零件都经全面硬化（如：调质）或表面硬化（如：渗碳或碳氮共渗）；5)所有失效零件的心部硬度基本都超过了HRC35，甚至接近了HRC40（注意：螺丝和螺栓氢脆化基本都是与心部硬度有关，与表面硬度较无关。），故限制螺丝螺栓的心部硬度不高于HRC35，确保心部组织的韧性和延展性，将大大降低氢脆化机会发生；5为防止延迟断裂质量事故之预防措施1．依机械性质要求正确选择用料（注：所用材料最好指定钢厂如中钢、宝钢、邢钢等）；根据影响高强度螺栓延迟断裂的因素，钢材选择最好有能使延迟断裂性能提高的元素。如添加有适量的Ti、V和Nb等细化晶粒元素，使奥氏体晶粒不长大；对延迟断裂恶化的P、S降低钢中的含量，减少晶界偏析；提高Mo的含量以提高钢的回火软化抵抗性能。钢材化学成分的调整，碳钢中主要的元素有C、Si和Mn。增加Si和Mn的含量可提高硬度，但硬度提高对塑性指标断面收缩率的数值有负面影响，在中碳钢中加入少量的Cr可以改善其塑性，提高断面收缩率值。Si和Mn是固溶强化铁素体而提高硬度的元素，而Cr是细化晶粒增加淬透性的元素。5为防止延迟断裂质量事故之预防措施由于任何一种钢都要淬火—高温回火（调质）处理作为钢种的前提来考虑，根据高强度螺栓性能等级，环境条件等，要完全避免发生延迟断裂是困难的。因此，选择钢种时对其使用条件必须十分注意。推荐钢种如下：8.8级螺栓选用SWRCH35R、CH35ACR、ML20MnTiB、10B21钢；10.9级选用SCM435、ML20MnTiB、10B33钢；12.9级选用42CrMo、25Cr2MoVA钢。对于10.9级以上螺栓需要用合金钢，其中CrMo和CrMoV两类钢更能满足在复杂条件下使用。5为防止延迟断裂质量事故之预防措施2．冷镦过程中首下R角在符合标准的情况下尽可能控制在上限，并检查头部金属流线是否正常，应力集中部位是否存在断线或裂隙；螺栓头部是应力集中部位。典型螺栓的头部为六角形的冷镦变形可达60％~80％，不允许有任何折叠，尤其是冷镦复杂形状的凸缘类螺栓。但由于冷锻成型，操作工人的技术水平，模具尺寸和质量等因素的影响，造成螺栓头部和杆部结合处的晶粒破碎或金属纤维断裂。此处组织很不均匀，并形成一个脆性断裂危险区域，造成应力集中。不完全螺纹形状的螺栓，应在允许的范围内，做到形状尽可能缓和应力集中。在冷镦调整时，不应忽视模具间隙以及模具误差合理分配螺栓头部的镦段变形量，增大头杆结合处的过渡圆角，使其内部组织达到合理状态。5为防止延迟断裂质量事故之预防措施良好的金属流线金属的纤维组织沿扎制方向流动，这种因碳化物等脆性粒子在冷镦和冷挤加工时被细化、晶粒沿塑性变形方向变细变长，这种纤维组织在塑性加工后，由变形产生纤维流线，螺栓冷镦成型时，特别是在头杆连接处，如果冷镦质量差，头部纤维塑性流线就会以散、乱、断形态成现，这将导致延迟锻裂的发生。5为防止延迟断裂质量事故之预防措施3.防止螺栓表面的增碳脱碳通常有利于延迟破坏性能的提高，但是必须充分考虑疲劳强度的下降，并且不至于产生脱扣、滑牙。对原材料的预先退火工序必须严格注意脱碳和增碳，而在最终调质淬火时对于螺纹表面增碳是不允许的。冷拔前对盘条需要经过软化退火或球化退火，为了防止脱碳往往使用保护气氛或炉中放置木炭。如果炉中气氛控制不当或者发生特殊情况时，会在原材料表面造成增碳，由于螺纹处表面增碳，会使强度增加而塑性下降，导致延迟断裂。5为防止延迟断裂质量事故之预防措施4.防止渗磷拉拔是生产高强度螺栓的第一道工序，但在拉拔前，盘条须经过磷化锌薄膜处理，增加光洁度，冷镦、调质淬火处理制成螺栓，会有磷渗入表面层里。对于高强度螺栓，可在热处理前用金属清洗剂和酸洗洗净磷化膜，达到防止渗磷的目地。要注意的是钢渗磷后，钢的临界点A1上升，表面出现较多铁素体，也影响后序发黑和氧化着色表面处理。5为防止延迟断裂质量事故之预防措施5．辗牙后检查牙底径是否符合标准，牙纹金相是否正常，分析螺纹上是否存在折叠；6．热处理过程中在保证机械性能和破断扭矩的前提下，尽可能提高回火温度和一定的回火时间，来消除产品组织的内应力，确保产品组织的韧性和延展性，尽可能使淬火后组织再经回火后能够完全转变及细化，并应预先防止奥氏体晶粒粗大，淬火温度的控制显得特别重要，应增加退火软化工序和减少拉拔量。奥氏体晶粗大会造成脆性增加，以至延迟断裂发生。5为防止延迟断裂质量事故之预防措施7．应避免螺丝或螺栓在热处理后再辗制螺纹，导致内应力的产生；8．热处理后可做头部坚固性测试或弯曲度试验来确认热处理后产品的韧性如何；9．紧固件电镀前除锈和氧化皮时应采用喷砂或喷丸等处理方法达到净化、活化表面目的。若必须进行酸洗活化处理时，选用盐酸较好（HCL的浓度最好控制在10%以内）。注意掌握酸洗时间不宜过长（每次控制60s以内），以多次短时间比长时间酸洗效果好；在除油时,采用化学除油、清洗剂或溶剂除油,渗氢量较少；5为防止延迟断裂质量事故之预防措施10．在电镀过程中,尽可能采用碱性镀液或高电流效率的镀液渗氢量较少；并应选择氢脆性较小的镀锌电解液，一般而言，氯化物型镀锌电解液相对析氢较少，产生氢脆的可能性也小；而氰化物镀锌电解液析氢、渗氢较多，产生氢脆的机率也较大。11．电镀过程中在能确保盐雾试验的条件下，尽可能减少镀层厚度（增加镀层厚度，则增加氢释放的难度。），镀层厚度最好控制在8μ以下，尽可能提高电流效率，减少电镀时间。12.螺栓在室外使用时，应避免潮湿空气，雨水的接触，涂上适当的油漆是有益的，可避免产生延迟断裂。5为防止延迟断裂质量事故之预防措施13．电镀除氢时需注意：零件应烘干4h或以上，并最好是在电镀后1h、铬酸盐鈍化处理之前入除氢炉；除氢温度最好控制在190~230℃，最高温度应考虑镀层材料和基体材料的种类；电镀工序完成后检查氢脆预载荷测试最好控制在24h以内；要求电镀厂送货时提供每批之除氢记录（除氢记录中的批号和数量应与送货单保持一致）；除氢记录应与氢脆化试验报告一起存放，易于追溯；可派人进行专案追踪（注要控制点：前处理是否喷砂除污还是酸洗除污；除氢时间及温度是否合理，镀锌后除氢入炉时间是否及时；监控除氢炉温控仪表是否定期校准，热电偶是否定期更换，温度的均匀性和准确性是否可以定期检查。）5为防止延迟断裂质量事故之预防措施14．新产品开发技术分析时应考虑或建议无氢脆产生之表面处理，如机械镀锌、达克锈等表面处理工艺，使之在产品设计源头就消除氢脆风险；15．氢脆化试验行为要规范（依GB3098.17标准或顾客标准）：GB3098.17标准要求试验最少应持续48h，而紧固件应至少每隔24h重新拧紧一次，并施加到初始的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%，则试验应在相同的紧固件上重新开始。在完成试验之前，应进行最后一次的拧紧。在末次拧紧之前，紧固件应拧退约1/2圈，以便辨别出断裂是否发生在螺纹的旋合部分。16．若产品已发生氢脆，建议该制造批全部报废处理不要返工。