合金钢螺栓的氢脆

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1、◇◇◇◇◇◇令◇多I、小炎(航天标准化与产品保证研究院，北京，100071)文摘：通过对合金钢螺栓氢脆I'．-J题的研究，分析合金钢螺栓氢脆的机理、基本特点和试验方法，并提出预防氢脆的技术途径。关键词：螺纹连接件；合金钢螺栓；螺栓断裂；氢脆断裂。螺栓的氢脆断裂是一种常见的失效形式。由于氢脆断裂具有延迟性和隐蔽性．带来的危害要比其它断裂造成的危害大得多。本世纪以来，合金钢螺栓的氢脆断裂屡见不鲜．严重妨碍航天型号的正常研制秩序．以至于达到了“谈氢色变”的程度。螺栓氢脆引起了各级管理者的高度重视．2004年七。八所开展了螺栓氢脆问题的专题研究．2009年航天三院159厂进行了材料

2、氢脆的工艺性研究。为了使更多的科技人员了解氢脆的机理、掌握螺栓氢脆的规律，有效地预防螺栓氢脆的发生，现将这些研究的结果撰文介绍，供读者参考借鉴。本文重点介绍合金钢螺栓的氢脆．钛合金螺栓的氢脆将在随后的文章中介绍。1氢脆断裂的机理与过程1．1氢脆的概念研究表明．氢在金属中可能存在的形式有氢希望在相关职能部门的领导下．各方共同参与、群策群力．策划和建设好国家层面的卫星导航应用标准．从而真正推动我国卫星导航应用产业的科学有序发展。作者简介：魏永刚(1968一)，男，副院长，研究员，全《航天标准彳匕}2012年第1期原子、氢离子、氢分子、甲烷、原子团、金属氢化物等。其中游离态的氢原

3、子、氢离子、氢分子是引起氢脆断裂的主要原因．固溶态的氢是引起材料性能变脆的主要原因。氢对金属的损伤点大致可分为两大类：一类是氢在金属材料中游动、聚集，形成微裂纹、鼓泡，最后造成氢脆断裂；另一类是氢腐蚀．即氢在材料中发生化学作用．形成脆性氢化物．使材料的力学性能发生变化。致使材料氢脆断裂。合金钢螺栓和弹簧垫圈的氢脆断裂都属于前一类．钛合金螺栓的氢脆则属于后一类。1．2氢脆断裂的机理所谓氢脆断裂．就是氢渗入金属材料内部后．造成材料损伤．使材料在低于材料屈服强度的静应力作用下发生的延迟断裂。其危害在于：这种断裂发生在低于材料屈服极限且无任何塑性变形的情况下，延迟的时间也无法控制。

4、因此，国宇航技术及其应用标准化技术委员会秘书长．主要负责航天领域国家军用标准和行业标准的总体策划和规划工作．先后多次获国防科学技术奖．陆静(1979-)，女，副所长，高级工程师，研究方向：测控通信标准化。一5一氢脆断裂对于机械工程的危害非常大．只有了解了氢脆断裂的机理，掌握了氢脆断裂的规律．才能有效地避免氢脆断裂的发生。氢在高强钢材料中的游离或扩散遵循一定规律．浓度梯度和应力梯度都是产生氢扩散的动力。也就是说。氢会从高浓度区向低浓度区扩散．由低应力区向高应力区聚集。当高强钢材料中存在有气孔、夹杂、微裂纹等缺陷或者高应力集中时．游离态的氢离子就会在应力的作用下．向微裂纹的末端

5、或者高应力集中区聚集而结合形成氢分子，同时氢的压力增大。当压力达到一定程度后。材料的微裂纹会扩大、延伸，并释放压力．而氢分子则以氢气的形式从金属材料中逸出。在应力作用下，游离态的氢继续向扩展后的微裂纹末端聚集．形成新的氢分子．使微裂纹继续扩展而演变成更大的裂纹。如此反复延续、反复氢聚集．不断地形成氢分子．材料裂纹不断地增大、扩展．最终导致金属材料的断裂。这种机理决定了材料氢脆断裂的延迟性和延迟断裂时间的不确定性．氢在高强钢材料中的游动．是一种可逆现象。它可以按照自身的规律向材料内部游动．也可以通过除氢的办法驱使氢从材料中逸出．即所谓的“除氢”或者“驱氢”．2氢脆断裂的基本规

6、律2．1氢脆断裂三要素发生氢脆断裂必须具备三个条件．即所谓的氢脆断裂三要素，如图l所示。这三个要素是：①对氢脆敏感的材料；②材料中吸人一定量游离态的氢；③材料承受足够的静拉应力。一6一图1氢脆断裂三要素壁金理簋壁虚复崖：理丛篮2．2氢脆断裂的发生过程一般情况下．发生氢脆断裂需要经过三个阶段孕育期、裂纹增长期和突然断裂。如图2所示。捌墨R埘碟莓訾■图2氢脆断裂三阶段2．3容易引起氯脆断裂的材料不是所有的材料都会引起氢脆断裂．能够引起氢脆断裂的材料是指对氢脆敏感的材料。影响材料对氢敏感性的因素很多．主要有材料的化学成分、金相组织、极限抗拉强度等。研究表明，碳对材料的氢敏感性影响

7、较大。含碳量越高，材料对氢越敏感。硫、磷等杂质也是提高材料氢脆敏感性的主要因素。金相组织对材料的氢敏感性影响也很明显。对氢的敏感程度依次降低的金相组织：回火马氏体、上贝氏体(粗)、下贝氏体(细)、索氏体、珠光体、奥氏体。从金相组织来说．晶粒越粗大。材料对氢越敏感。材料抗拉强度越高，对氢脆越敏感。国际上普遍认为，抗拉强度等于或大于1050MPa的钢才会发生氢脆断裂。材料缺陷(微裂纹、气孔、夹杂等)是氢喜欢聚集的地方．缺陷越多，材料的断裂源也越多．材料的氢脆敏感性越高。材料结构形状的突变．是应力集中的部位．也是氢喜欢聚