汽车紧固件的氢脆

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1、汽车紧固件的氢脆[美]克莱斯勒汽车公司EricD.McCarty,DaleWetzel,andBrendaS.Kloberdanz摘要紧固件的氢脆失效在汽车工业中引起了人们的广泛关注。这种失效不期而至，给汽车公司和紧固件供应商增加了很大的负担，不仅使其在经济上蒙受损失，而且还对公司的用户满意度以及汽车的安全性构成威胁。本文是对克莱斯勒汽车公司发起的一个旨在减少紧固件氢脆的研究项目的总结。该项目的目标有两个：目标之一是从氢脆与紧固件材料及表面处理工艺之间的关系方面更加深入地了解氢脆机理；目标之二，也是最重要的目标，是消除汽车紧固件的

2、氢脆失效。早期的工作重点是研究紧固件的应用和防腐蚀处理状况，其目的是提高经过表面处理的螺栓的防氢脆性能。与此同时，还结合一个新的紧固件规范的制订进行了研究，其目的是减小表面处理过程中氢的产生和驻留。在对紧固件按不同的硬度、清洗方法和电镀处理情况进行烘烤及分批试验时，都进行了特定的控制。对连接体的研究最初开始于学术界和紧固件工业界，其目的是为了了解紧固件的氢脆机理。研究工作的重点放在以下几个方面：电化学处理过程中氢的吸收，烘烤过程中氢的重新分布，材料和表面处理工艺变化对氢脆性能的影响以及新型多相冷镦钢的氢脆性能。与常用的紧固件钢种相

3、比，新型多相冷镦钢被认为可能在本质上不易发生氢脆破坏。前言36防止紧固件的氢脆失效在汽车工业中日益受到重视。遭受氢脆危害的紧固件可在实际应力远低于材料抗拉强度的条件下，于装配后的数分钟内发生早期失效。在汽车装配车间，紧固件的氢脆失效将使生产效率大大降低。对有潜在氢脆失效危险的汽车必须进行逐一检查，并使用新的可靠的紧固件替换所有可疑的紧固件，而更换紧固件将耗费大量时间。更换氢脆破坏的紧固件对于汽车制造商和紧固件制造商都将是不小的负担。克莱斯勒汽车公司为此制订了一项旨在大大减少紧固件氢脆失效的全面研究计划，这项研究的目标是：1、增加对

4、汽车紧固件氢脆现象的了解；2、采取必要措施，消除紧固件氢脆；3、建立一套制度来强化供应商的氢脆意识，并实行质量控制，从而防止紧固件氢脆的发生。背景人们早已认识到初生氢的脆化作用将使得钢和铁的机械性能下降。最早的关于氢脆失效的论文之一是由WilliamH.Johnson于1874年发表的。他观察到，当钢丝短时间浸入盐酸或硫酸中时，其韧性明显下降[1]。经过研究，他得出以下结论：任何一种酸，只要它能产生氢，当与钢作用时，都将导致钢的韧性下降。还有许多其它关于钢的氢脆现象的研究。然而，由于许多相互作用的因素都对氢脆现象有贡献，至今还没能

5、对氢脆的机理认识清楚。影响氢脆现象的一部分因素如下：基体材料的机械和物理性能、扩散比、温度、氢的聚集、表面状况、应力水平、应力状态、活动裂纹前端的动力学特性[2]。钢的氢脆倾向随着钢的纯净度、显微结构和强度水平的不同而变化。对于中、高碳马氏体钢，由于其强度和硬度随着碳含量的增加而增加，所以表现出氢脆倾向。但是，材料是否具有氢脆倾向的确切硬度值，则受到工艺过程或服役环境的影响。一些研究认为，当钢的硬度值大于或等于40HRC时，将具有明显的氢脆倾向。也有一些研究认为硬度值超过35HRC时的氢脆倾向最为严重。O.Warren的研究认为，

6、在严重的脆性环境下，最好将硬度控制在22HRC以下。FrankAltmayer较为妥帖地论述了材料的氢脆破坏倾向与其硬度之间的关系：“并没有确切的临界点。据报导，抗拉强度低至140,000psi的钢也会发生氢脆。比较常见的说法是，当钢的硬度低于35HRC时，氢脆倾向将大大减小。但是，如果将紧固件‘通电’（阴极电解除油或者在酸性溶液中进行阴极处理时会出现这种情况），就没有一定的强度下限。”除硬度的影响外，一些研究者还对钢的不同显微结构在促进或阻止氢脆破坏时所起的作用进行了研究[7,8,9,10,11]。另外一些公开发表的论文还论述了

7、氢的陷阱效应理论及显微结构对氢的陷阱效应的影响36[12,13]。陷阱效应是指活动氢原子被吸引到点阵结构中的某些位置，并因此而变成非活动氢原子。能够形成陷阱的位置包括晶界、位错中心、以及诸如夹杂、碳化物一类的固-固界面。陷阱可分为两类，一类是可逆的，一类是不可逆的。陷阱的可逆性取决于陷阱深度，也即陷阱能垒。可逆陷阱中的氢原子能够轻易克服陷阱能垒而成为活动氢原子。而对于不可逆陷阱，氢原子一般保持非活动状态。可逆陷阱有时也称作引力陷阱。引力陷阱是氢原子的扩散受到某种引力作用的点阵区域。这种引力可来自电场、应力场、温度梯度或非典型的化学

8、势[14]。可逆陷阱的束缚能较低，氢原子可以轻易获得释放[15]。因此，当氢原子在点阵中加速扩散时，这些陷阱既可成为氢的来源，也可成为氢的巢穴。在发生紧固件氢脆的情况下，紧固件因受到拉伸载荷而形成的应力场即为一种引力陷阱。不可逆陷阱，也即物理陷阱，