螺栓氢脆检测方法及标准分析

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1、德夕⑧⑧⑩⑧⑨◇⑨⑧⑧⑧◇⑩孙升(航天标准化与产品保证研究院，北京，100071)文摘：阐述螺栓氢脆检测适用的氢含量检测法、应力持久法和分步加载法的基本原理．对国内外相关标准的主要技术内容以及应用于螺栓氢脆检测的实施要求进行分析，并结合当前航天型号产品保证工作的客观需求．对在航天型号研制中开展螺栓氢脆检测工作提出建议。关键词：航天紧固件；螺栓；氢脆检测；检测标准。氢脆会导致螺栓装配后在远小于其正常破坏应力的连接状态下发生断裂．即氢脆断裂。氢脆断裂具有延迟性。断裂前几乎无任何征兆，加上螺栓本身起着结构连接的作用．螺栓氢脆断裂严重危害到航天型号的安全。为降低螺栓氢脆风险。螺栓

2、研制、使用单位在改进螺栓制造工艺方面作了大量卓有成效的研究。即便如此，氢脆风险依旧是客观存在的。只能降低但无法完全杜绝。近年来，航天型号研制中发生的螺栓氢脆质量故障也证明了这一点。针对这种情况，运用适当的检测方法对采购到的螺栓开展氢脆验收检验．是进一步降低型号使用螺栓氢脆风险的另一个行之有效的途径。目前．氢脆机理还在研究之中，基于特定氢脆理论形成了诸多不同的氢脆检测方法。主要是针对材料和工艺，适用螺栓的比较少见，国内也缺乏可参考的标准。为了适应开展航天产品用螺栓氢脆验收检测的工作需求．我们研究了国内外的氢脆检测方法标准．归纳了适用于航天产品用螺栓氢脆检测的氢含量检测法、应

3、力持久法和分步加载法．本文将对这三种方法及相关标准进行介绍与技术分析(注：文中采用的ppm为lxl0巧)。一lO一1氢含量检测法1．1基本原理螺栓氢脆源于螺栓产品中吸人的氢。氢含量检测法就是要通过控制螺栓产品或制造工艺过程中的氢含量以实现对氢脆风险的控制。根据实施途径的不同。氢含量检测法可以分成物理法和电化学法两种。物理法一般是在螺栓产品上截取一部分．通过高温熔化、真空提取，测定氢原子含量．此方法及技术要求主要体现在国内外的钛合金螺栓产品标准或通用规范中；电化学法则是提取特定工艺环节(如电镀)中氢原子。通过测定氢压电流，将氢含量的检测转化为氢压电流的检测．典型标准是AST

4、MF326。1．2标准及技术要求氢含量检测法的实施主要依靠专用检测设备．并有相应的合格判定指标。表l汇总了目前氢含量检测法的相关标准及技术要求。1．3标准实施分析航天行业针对钛合金TB3螺栓产品．在出厂检验和入厂复验环节都依据相关标准开展了氢含量检测。下面结合实际工作，从检测设备、适用范围、标准中技术指标修订等三方面对表l中常《航天标准化》2011年第1期篡丝复廑笈蕴庄蕴厦筮筵壁蕴：翅爱表1氢含量检测法的相关标准及技术要求榆测对象检测设备柃测标准合格判定指标／氢含量备注ISO9152钛合金材料牌号为Ti6A14V(相当NAS621氢含量<125ppm于国内的TC4)采用真

5、空熔化法头部取样。并去除镀、覆层钛合金螺栓或真空提取法的氢GJB2893钛合金材料牌号为TB3含量检测仪GJB337825"／ii：<125ppm头部取样。并去除镀、覆层QJ2585氢食'm<150ppm钛合金材料牌号为TB3QJ2602无取样要求ASTMF'326松孔镀镉：A，。<60，He。<1000HB5067．2—2005与ASTMF326技电镀T艺产品劳伦斯测氢仪HB5067．2术内容一致镀镉一钛：A。。<14J0用的钛合金氢含量检测标准实施中的主要问题进行分析。a)氢含量检测仪属于定型设备，操作简单。检测成本较低。设备制造商有日本岛津、美国LECO等。该类设备

6、在国内钛合金螺栓制造企业和检测机构中已经广泛配备。劳伦斯测氢仪是波音公司发明的．国内只有航空材料研究院引进过一台．其检测成本相对较高．检测周期也比较长。b)国内外标准中．只有针对钛合金螺栓有氢含量指标。对于其它材料螺栓产品．则未作规定。相关研究也发现．现有工艺条件的合金钢螺栓，氢含量检测值一般在5ppm(5x10-6)以下．氢含量差异很不明显11】。简而言之．氢含量检测法还不适用于钛合金以外的螺栓产品。劳伦斯测氢仪是针对电镀工艺的检测．对于非电镀工艺则没有效果。c)国外标准ISO9152：1998《航空航天一强度等级为1100MPa的MJ螺纹钛合金螺栓一采购规范》、NAS

7、621《钛合金紧同件采购规范》规定头部取样，但在实践中发现．头部取样一般比较困难．需要对标准规定的取样部位进行修订，如增加螺栓尾部取样。此外。根据对航天产品用钛合金螺栓氢含量检测数据的分析．目前钛合金螺栓的氢含量一般控制在20ppm。40ppm(20x10-6—40x10-6)111．已经有条件将现有航天行业标准中氢含量指标由150ppnl(150x10-6)修订为国家军用标准和国外标准中普遍采用的125ppm(125x10西)。《航天标准'rE}2011年第1期2应力持久法2．1基本原理应力持久法是基于氢脆的基本原理：存在氢