螺栓的氢脆断裂分析.pdf

螺栓(de)氢脆断裂

氢脆断裂(de)种类很多,主要分为氢蚀断裂、白点断裂、氢化物致脆断裂和氢

致延滞断裂.螺钉氢脆断裂通常特指是氢致延滞断裂：氢原子侵入螺钉(de)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.螺钉氢脆断裂是常见(de)螺钉失效模式.

螺钉氢脆断裂通常发生于经过热处理和电镀处理(de)高强度普通螺纹螺钉和

表面硬度较高(de)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(de)

部位.螺钉氢脆断裂一般在螺钉组装后48小时内发生.

判定螺钉断裂是否为氢脆断裂最直观(de)方法是观察断口形貌.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,无

明显(de)塑性变形,断面明显可分成裂纹源区和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(de)根部开始,沿着螺纹旋转(de)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,晶粒表面存在大量(de)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(de)穿晶断裂,通常沿一定(de)严

格(de)晶面分离,同时伴随一定(de)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(de)氢含量也是判定是否为氢脆断裂(de)重要依据.氢含量可

用氧氮氢分析仪测得,主要是看含氢量相对于合格(de)螺钉或电镀处理前(de)螺
钉是否有显着增加.碳钢材料允许(de)氢含量尚无严格(de)标准,但氢对碳钢材料

会造成损害是确定无疑(de),含氢量(de)多寡仅表现为对碳钢材料损伤程度(de)

差别.

螺钉(de)氢脆断裂机理非常复杂,自20世纪40年代螺钉氢脆断裂问题被发现

以来,其断裂机理一直是学术界(de)研究热点,但至今还是没有统一(de)认知.比

较有名(de)理论有四种：氢压理论、氢表面吸附理论、晶格脆化理论和位错理论.

其中位错理论能相对较好地解释螺钉氢脆断裂(de)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(de)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,且温度又不是太低(de)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(de)加工硬化.在外力作用下,当位错运动到晶界或其他

障碍物时,必然会产生位错在该处(de)堆积和氢在该处(de)富集,如果外力足够大,

则在位错堆积(de)端部产生应力集中,最后导致基体开裂.

造成螺钉氢脆断裂(de)主要因素有基体材料(de)氢脆敏感性、螺钉(de)表面

状况、螺钉冷加工和热处理后(de)残余内应力、制造过程中侵入螺钉基体材料(de)

氢、环境温度、螺钉组装后承受(de)外加载荷等等.

碳钢材料(de)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(de)含碳量和显微组织有关.实验和事实证明,珠光体组织、铁素体组织(de)

氢脆敏感性远低于马氏体组织,网状分布(de)高碳马氏体组织(de)氢脆敏感性最

高.电子产品常用(de)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(de)风险.碳钢材

料(de)强度与硬度有很好(de)对应关系,用硬度来表现碳钢材料(de)氢脆敏感性

更为直观和方便测得.一般来说,硬度在38HRC左右时开始呈现氢脆断裂(de)危险,

硬度高于43HRC时,应考虑去氢处理,硬度高于60HRC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(de)酸洗工序和电镀工序是制造过程中氢侵入基

体材料(de)关键环节,且不可避免.可靠(de)对策是在螺钉电镀后增加去氢处理工

序.一般来说,螺钉冷加工和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(de)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和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.

去氢处理实际上是个烘烤过程,在190～230摄氏度(de)温度下和规定(de)时

间内烘烤螺钉,将螺钉