氢脆相关术语及其损伤机制

作者:    WASI 紧固件     关键字:    氢脆    

氢脆的定义及分类

■ 氢脆(HE)是原子氢与载荷或残余应力共同作用，引起金属永久丧失塑性,在一定时间后导致脆性断裂。一般来说，根据氢的来源可分为两大类：内部氢脆(IHE)和环境氢脆(EHE)。

■ 内部氢脆(IHE)由制造过程中残余氢引起的脆化，导致紧固件在载荷或残余应力的作用下延迟脆性失效。如酸洗、电镀处理的制造过程中侵入钢中的氢(内氢)引起的延迟断裂。某些镀锌螺栓在加载后，经过几小时或几天的较短时间后而发生。

■ 环境氢脆(EHE)紧固件在使用环境中吸收氢原子而引起的脆化，导致紧固件在载荷或残余应力的作用下延迟脆性失效。应力腐蚀断裂(SCC)属于环境氢脆的一种，在腐蚀产生的氢和载荷共同作用下，紧固件在使用过程中发生断裂失效。如车辆车厢、驾驶室外壳等连接使用的螺栓、螺母，在潮湿空气、雨水等环境中长期暴露而发生；

研究表明，实际使用的螺纹紧固件在自然环境下发生氢脆断裂的主要是淬火回火的马氏体系钢，一般发生在屈服强度＞620MPa、硬度≥32HRc的高强度材料。钢的屈服点愈高愈容易发生氢脆破坏，即使只含少量的氢气，也可能导致破坏。材料强度对氢脆敏感性的影响是：随着钢的强度的提高，其变脆指数也升高，而持久强度降低，说明钢的强度越高，对氢脆越敏感。车辆结构中的螺纹紧固件，起着连接、紧固和密封的作用，装配时必须拧紧，联接的部件不同，所受的载荷各不同。有的承受弯曲或剪切应力，有的承受反复交变的拉应力和压应力，也有的承受冲击载荷或同时承受上述几种载荷，由于氢脆具有延迟性和突发性，所以它的危害很大。

氢脆的损伤机制

高强度钢材或高强度紧固件在拉伸载荷下作用下,钢内的压力会导致氢原子扩散(即移动)到最大应力的位置(如在不完整螺纹位置或螺支撑面圆角位置以及与螺母啮合的第一个螺纹底部)。随着氢在这些地方的浓度越来越高，具有延展性的钢材逐渐变得脆弱。最终，在应力和氢的集中作用下，该位置出现氢辅助(HAC脆性)微裂纹。随着氢向裂纹尖端移动，微裂纹继续增长，直到紧固件过载并最终断裂。这种现象通常被称为氢辅助断裂(HAC)或氢诱导断裂(HIC)。以上所述的氢损伤机制导致紧固件在明显低于标准拉伸强度的应力下失效。

氢原子可以与钢的微观组织中的晶界、位错、成分偏析、夹杂物等冶金特征结合形成“缺陷” 。因此，被“困住”的氢不能自由地扩散(即移动)到可以参与“氢辅助开裂” (HAC)的高应力区域。

根据缺陷的键能，通常分为可逆缺陷和不可逆缺陷。可逆缺陷的特点是键能低换句话说，氢更容易从缺陷中释放出来。不可逆缺陷的特点是键能高:换句话说，氢需要大量的能量(例如来自加热或应力)才能从缺陷中释放出来。在金属晶格中自由运动的非俘获氢称为流动氢，也被称为间隙氢或扩散氢。

（注：本文部分摘自：ISO TR20491）​