氢脆失效的根本原因和触发条件

作者:    WASI 紧固件     关键字:    氢脆    

氢脆失效的根本原因和触发条件必须同时存在以下三种条件才能诱发氢脆失效。
1）材料本身易受氢损害  

2）应力-通常来自于外部施加的力或残余应力 

3）氢原子

如果三个因素齐备，在一定的时间内，氢脆会导致裂纹的萌生和扩展，直至断裂的发生。失效发生的时间可能因情况的严重程度和氢的来源而异。应力和氢被认为是失效的触发因素，而材料敏感性是氢脆发生的基本条件，因此被认为与氢脆发生的根本原因相关。

材料的敏感性

材料对氢损伤的敏感性(即材料的敏感性)是材料状态的一种体现，由材料的冶金结构和力学性能综合描述。研究材料的敏感性是理解氢脆现象的基础。考虑到氢脆会导致材料延展性降低，从而引起材料强度损失，因此可以通过机械测试研究和量化材料对氢脆的敏感性。检测材料在不断增加的应力下的状态，首先测试没有氢的状态，然后测试吸收氢的状态。材料强度(即抗拉强度和/或硬度)直接反映钢材的氢脆敏感性。

随着强度的增加，钢材变得更硬，韧性更差，更容易产生氢脆损伤。当材料硬度大于390 HV时，钢铁制紧固件的氢脆敏感性显著增加。这种敏感性增加的特征可以参考韧性-脆性转变曲线，随着氢脆敏感性的增加材料迅速失去其延展性。韧性-脆性转变可以在很小的硬度增加范围内发生。

拉应力

紧固件在正常装配状态下，会受到拉伸载荷。螺栓和螺钉等承受拉伸载荷的紧固件在拧紧过程中主要受到拉应力和不同程度的扭转应力影响。在一定的时间内，紧固件受到的拉应力超过材料的氢脆极限应力可能会导致紧固件氢脆失效。氢脆的极限应力是指材料在该应力以下范围不发生氢脆的临界应力值。氢脆极限应力是材料对给定数量的氢敏感性的度量。紧固件失效发生的时间取决于紧固件承受的拉应力超过氢脆极限应力的大小，随着应力的增加紧固件发生失效的时间会相应的缩短。在装配中施加的预紧力作用下螺栓或螺钉连接产生拉应力。这些加载条件是连接设计(即服役载荷)和紧固件安装预紧力的组合。通常，螺栓的预紧力一般为螺栓保证载荷的75%左右。

对于性能等级为10.9级的紧固件，内部氢脆对紧固件本身的影响不会及时体现，因此其预紧力应低于材料的氢脆极限应力。但是，如果这些紧固件的硬度高于规定的极限，或者存在其他缺陷，如组织不良、韧性低，则会出现异常低的氢脆极限应力，该应力值低于正常安装预紧力所产生的应力。此情况下，即使处于相同的氢浓度和正常的安装预紧力条件下，材料超过氢脆极限应力的概率也会显著增大，从而增加了氢辅助开裂的风险。

氢原子

氢有两种可能的来源：内部氢和环境中的氢。

内部氢
 

涂层工艺和相关的表面清洗、准备工艺(如酸洗)是造成内部氢脆的主要制造工艺。涂层材料(例如，镀锌)会阻止氢在室温状态下从钢中自然溢散，作为制造的最后步骤，这些过程至关重要。典型的电镀清洗包括碱性清洗（热碱脱脂后电解）和酸洗。酸洗是电镀过程中氢的重要来源。因此，应该使用合适的抑制剂和最短的清洗周期来降低材料内部氢脆(IHE)的风险。

对于硬度大于390 HV的紧固件，如性能等级为12.9级的紧固件，建议采用非酸性方法进行特殊预处理，如机械清洗或碱洗。阴极清洗是氢的来源之一，对于硬度在390 HV以上的紧固件应避免使用。电镀过程会产生氢，紧固件吸收的氢量取决于工艺类型（如碱性镀锌、酸性镀锌、镀锌合金等）以及工艺参数（如电流密度、电镀时间、电镀设备等）。影响氢吸收的最重要因素仍然是镀层对于氢的渗透性。研究表明，在室温下放置超过24小时的12.9级磷酸盐涂层紧固件，因磷酸盐涂层的多孔性易于氢的溢散，没有氢脆风险。类似地研究表明，在航空航天行业使用的电镀镉和某些含12%-16%镍的锌镍电镀工艺，由于镀层本身比电镀铁或锌铁合金镀层具有更高的渗透性，发生内部氢脆的风险明显较低。工业上常见的做法是在电镀后对紧固件进行加热去氢处理。

环境中的氢

环境中的氢进入钢铁制紧固件一般是由于紧固件在使用过程中发生腐蚀导致的。紧固件与水或其他腐蚀性物质接触产生可吸收的氢。更重要的是，牺牲阴极保护镀层（如Zn、Zn-Ni、 Cd 镀层）发生电偶腐蚀产生氢，然后被裸露的紧固件（即阴极）表面吸收。这种情况多数发生在紧固件表面镀层被破坏、开裂、有气泡或部分腐蚀时。紧固件以这种方式吸收的氢量比在正常腐蚀条件下(即没有涂层的钢铁紧固件)要高几倍。这些条件会导致应力腐蚀开裂(SCC)，也称为氢辅助应力腐蚀开裂(HASCC)或氢诱导应力腐蚀开裂(HISCC)。从失效分析的角度来看，服役中的紧固件在失效之前的任何程度的腐蚀，都可能导致环境氢脆（EHE）成为主要的失效机制，而与内部氢的存在无关。随着时间的推移，腐蚀产生的氢逐渐累积并对局部裂纹产生较大影响，内部氢的影响相对变得微不足道。注：典型的环境氢脆（EHE）失效发生的时间要比内部氢脆（IHE）失效发生的时间长，由于在腐蚀过程中吸收了氢，在紧固件安装后的几周甚至几年之内都有可能发生环境氢脆失效。

（注：本文部分摘自：ISO TR20491）​