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无形的杀手 - 氢脆产生的原因和如何预防其导致的紧固件失效

螺栓氢脆导致断裂-Bossard柏中氢脆是一种延迟的脆性失效过程,这种由氢原子引起的金属脆化现象常有所闻,屡见不鲜,早在一个多世纪以前的1875年氢脆就被首次报道。螺栓氢脆是一个十分严肃的问题, 它会使材料的结构发生变化,并导致机械性能急剧下降。在紧固件领域,氢脆带来的风险非常值得关注,原因主要是以下几点:

氢脆导致的紧固件失效具有延迟性,断裂不会在螺栓安装之后立即发生, 而是在数小时、数天甚至数周后发生。氢脆导致的失效具有较强的隐蔽性,因此,在过程监控或质检中检测出氢脆几乎是不可能的。

经常会出现产品安装后或装运后发生氢脆的事件,这就使众多公司不得不支付巨额资金召回产品,也损害了品牌形象。氢脆问题随时可能发生,被称之为无形杀手!

 

这本白皮书由Bossard柏中的技术专家Peter Witzke先生撰写,主要讲述螺栓氢脆产生的原因和如何预防氢脆导致的紧固件失效或断裂:

氢脆的基本要素

紧固件氢脆不仅是一种延迟的脆性失效过程,且断裂往往发生在安装之后、受拉伸应力作用的紧固件上(也有极少的例外,如发生在一些冷成形的特殊弹簧部件上,这些部件具有残余拉伸应力,即使没有安装也可能会断裂)。紧固件中的拉伸应力水平是决定性的参数,因为紧固件更容易在高负载力下发生氢脆断裂。然而,即使拉伸强度低于拉伸负载,紧固件也可能发生断裂。这种失效会发生在紧固件组装之后的某个时间。通常紧固件安装后数小时或数天后才会发生断裂。氢脆很少在装配后的几秒钟内或几个月后发生,当它发生时,则是瞬间形成,没有预兆或明显的迹象。运行使用中的部件发生失效问题通常需要付出昂贵的代价,有时甚至是灭顶之灾。

氢渗入紧固件的途径

前面已经提到,产生氢的因素多种多样。在大多数紧固件氢脆失效的事例中,最多的因素来自于生产中的酸洗和随后的电镀过程。电镀过程中的电解质在过去几年里已经得到完善优化,效率也提高了很多,减少了氢的产生。然而却无法保证提高效率后没有脆化风险。

紧固件中氢扩散到高拉伸应力区域

氢以原子(H)形式分散在钢制紧固件中。被钢材吸收的氢原子高度活跃,并可以在紧固件材料内大范围扩散。在紧固件内部,氢原子趋向于分离到高拉伸应力区域,随着时间的推移,这一区域的氢浓度将会逐渐增加。如果两个相邻的原子在缺陷处重组形成氢分子(H2),那么使其位移需要施加的应力就会变得更大,于是氢分子则会牢牢的在此扎根。

氢分离到晶界处、夹杂物、断层和其他缺陷中

如上所述,由氢脆引起的断裂发生在晶间结构中。在紧固件内部,氢趋向分散于晶界处、夹杂物、断层和其他缺陷中。随着时间的推移,扩散到紧固件这些区域的氢逐渐增加。

到达氢浓度的临界值

氢的浓度越高导致产生失效的临界应力就会越低,而氢的浓度越低,导致发生失效的临界应力就会越高。游离的氢原子将扩散到紧固件的表面缺陷、夹杂物、断层和其他拉伸应力高的缺陷部位,导致这些区域的强度变低。当氢浓度和应力总量不断增加达到临界点时,就会发生断裂,这个过程将会持续直至紧固件最终断裂。初始裂纹通常出现在晶粒内部随之发展到达晶界处。从这点开始,裂纹沿晶界处扩大,直至紧固件最终断裂。

预防和缓解方案

避免在制造过程中产生氢以及紧固件吸收氢,可消除来自制造过程的氢脆故障风险。通过适当选择不产生氢的表面处理方式,可以避免环境腐蚀引发的氢脆。可行性方案包括:机械镀锌、达克罗、久美特、Delta Protekt无铬涂覆、Xylan 1014/1400/1424涂覆、美加利565。氢脆只发生在高强度紧固件上。
在应用条件允许的情况下,当生产厂无法除氢时,应当选用硬度低于320HV的紧固件。在条件允许的情况下尽量避免酸洗,无法避免时,酸洗的浸泡时间应降到最短。酸洗溶液中应该始终含有抑制剂成份。在必须使用高强度紧固件,并且制造过程中无法完全除氢,而氢又被吸收到紧固件的情况下,比如酸洗和电镀,这时后续除氢烘烤过程变得至关重要,这一过程可降低风险,被人们称之为去氢。

检验紧固件氢脆的步骤

紧固件的测试方法由ISO15330定义,也就是“检测氢脆的预载荷试验-平行支承面法”。测试过程中,紧固件在屈服点或断裂扭矩的范围内经受拉伸应力。应力或扭矩保持至少48小时。紧固件持续作用于拉伸应力下,并且将沉降(嵌入)限制到最小,这一点对于测试来说至关重要。每隔24小时,将紧固件重新锁紧到初始应力或扭矩,同时检查是否发生氢脆失效。

如果同一批次中的所有样品都通过了测试,没有断裂或可见性裂纹,该批次物料测试合格。然而重要的是,这样的测试只适用于制造过程的控制,可以在产生氢的工艺过程后数小时内进行。正如前面讲到的,从氢的进入到氢的减少这个过程,时间对于提高效率而言非常重要。这同样适用于氢脆试验中涉及的效率。最终被认可的紧固件检验方法在ISO15330中也得到相应描述,这种测试方法仍然是最佳选择,但是需要注意的是,通过氢脆测试只不过是降低了潜在的风险。

更多关于紧固件氢脆的问题,请下载阅读完整版白皮书。

氢脆
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