氫脆現(xiàn)象氫脆機理

延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于零件內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中的部位擴散聚集,應(yīng)力集中部位的金屬缺陷多(原子點陣錯位、空穴等)。氫擴散到這些缺陷處,氫原子變成氫分子,產(chǎn)生巨大的壓力,這個壓力與材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力及材料受的外加應(yīng)力,組成一個合力,當這合力超過材料的屈服強度,就會導(dǎo)致斷裂發(fā)生。氫脆既然與氫原子的擴散有關(guān),擴散是需要時間的,擴散的速度與濃差梯度、溫度和材料種類有關(guān)。因此,氫脆通常表現(xiàn)為延遲斷裂。

氫原子具有最小的原子半徑,容易在鋼、銅等金屬中擴散,而在鎘、錫、鋅及其合金中氫的擴散比較困難。鍍鎘層是最難擴散的,鍍鎘時產(chǎn)生的氫,最初停留在鍍層中和鍍層下的金屬表層,很難向外擴散,去氫特別困難。經(jīng)過一段時間后,氫擴散到金屬內(nèi)部,特別是進入金屬內(nèi)部缺陷處的氫,就很難擴散出來。常溫下氫的擴散速度相當緩慢,所以需要即時加熱去氫。溫度升高,增加氫在鋼中的溶解度,過高的溫度會降低材料的硬度,所以鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫的溫度選擇,必須考慮不致于降低材料硬度,不得處于某些鋼材的脆性回火溫度,不破壞鍍層本身的性能。

在任何電鍍?nèi)芤褐?由于水分子的離解,總或多或少地存在一定數(shù)量的氫離子。因此,電鍍過程中,在陰極析出金屬(主反應(yīng))的同時,伴有氫氣的析出(副反應(yīng))。析氫的影響是多方面的,其中最主要的是氫脆。氫脆是表面處理中最嚴重的質(zhì)量隱患之一,析氫嚴重的零件在使用過程中就可能斷裂,造成嚴重的事故。表面處理技術(shù)人員必須掌握避免和消除氫脆的技術(shù),以使氫脆的影響降低到最低限度。

主要是將酸洗控制好。

首先，盡量縮短酸洗時間;其次加緩蝕劑，減少產(chǎn)氫量。 壓力容器的氫脆(或稱氫損傷)是指它的器壁受到氫的侵蝕，造成材料塑性和強度降低，并因此而導(dǎo)致的開裂或延遲性的脆性破壞。高溫高壓的氫對鋼的損傷主要是因為氫以原子狀態(tài)滲入金屬內(nèi)，并在金屬內(nèi)部再結(jié)合成分子，產(chǎn)生很高的壓力，嚴重時會導(dǎo)致表面鼓包或皺折;氫與鋼中的碳結(jié)合，使鋼脫碳，或使鋼中的硫化物與氧化物還原。造成壓力容器氫脆破壞的氫，可以是設(shè)備中原來就存在的，例如，煉鋼、焊接過程中的濕氣在高溫下被還原而生成氫，并溶解在液體金屬中。或設(shè)備在電鍍或酸洗時，鋼表面被吸附的氫原子過飽和，使氫滲入鋼中;也可以是使用后由介質(zhì)中吸收進入的，例如在石油、化工容器中，就有許多介質(zhì)中含氫或含混有硫化氫的雜質(zhì)。鋼發(fā)生氫脆的特征主要表現(xiàn)在微觀組織上。它的腐蝕面?？梢姷戒摰拿撎艰F素體，氫脆層有沿著晶界擴展的腐蝕裂紋。腐蝕特別嚴重的容器，宏觀上可以發(fā)現(xiàn)氫脆所產(chǎn)生的鼓包。介質(zhì)中含氫(或硫化氫)的容器是否會發(fā)生氫脆，主要決定于操作溫度、氫的分壓、作用時間和鋼的化學(xué)成分。溫度越高、氫分壓越突，碳鋼的氫脆層就越深，發(fā)生氫脆破裂的時間也越短，其中溫度尤其是重要因素。鋼的含碳量越高，在相同的溫度和壓力條件下，氫脆的傾向越嚴重。鋼中添有鉻、鈦、釩等元素，可以阻止氫脆的產(chǎn)生。

出現(xiàn)氫脆的工件通過除氫處理(如加熱等)也能消除氫脆，采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。如電鍍件的去氫都在200~240度的溫度下，加熱2~4小時可將絕大部分氫去除。

氫在常溫常壓下不會對鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當溫度超過300℃和壓力高于30MPa時，會產(chǎn)生氫脆這種腐蝕缺陷，尤其是在高溫條件下。如合成氨生產(chǎn)過程中的脫硫塔、變換塔、氨合成塔;煉油過程中的一些加氫反應(yīng)裝置;石油化工生產(chǎn)過程中的甲醇合成塔等。

熱處理的方法是將工件加熱至某一溫度，保溫一段時間，緩冷，使氫隨溶解度逐漸變小，逐漸析出。

加熱會破壞鍍層。

在材料的冶煉過程和零件的制造與裝配過程(如電鍍、焊接)中進入鋼材內(nèi)部 的微量氫(10-6量級)在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng)力作用下導(dǎo)致材料脆化甚至開裂。在尚未出現(xiàn)開裂的情況下可以通過脫氫處理(例如加熱到200℃以上數(shù)小時，可使內(nèi)氫減少)恢復(fù)鋼材的性能。因此內(nèi)氫脆是可逆的。

1、減少金屬中滲氫的數(shù)量 在除銹和氧化皮時,盡量采用吹砂除銹,若采用酸洗,需在酸洗液中添加若丁等緩蝕劑;在除油時,采用化學(xué)除油、清洗劑或溶劑除油,滲氫量較少,若采用電化學(xué)除油,先陰極后陽極;在電鍍時,堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。

2、采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層

一般認為,在電鍍Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb時,滲入鋼件的氫容易殘留下來,而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金屬鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度,滲氫較少。在滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下,可采用不會造成滲氫的涂層,如達克羅涂覆層可以代替鍍鋅,不會發(fā)生氫脆,耐蝕性提高7~10倍,附著力好,膜厚6~8μm,相當于較薄的鍍鋅層,不影響裝配。

3、鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫以消除氫脆隱患

若零件經(jīng)淬火、焊接等工序后內(nèi)部殘留應(yīng)力較大,鍍前應(yīng)進行回火處理,減少發(fā)生嚴重滲氫的隱患。

對電鍍過程中滲氫較多的零件原則上應(yīng)盡快去氫,因為鍍層中的氫和表層基體金屬中的氫在向鋼基體內(nèi)部擴散,其數(shù)量隨時間的延長而增加。

防氫脆現(xiàn)象產(chǎn)品

新的國際標準草案規(guī)定"最好在鍍后1h內(nèi)，但不遲于3h，進行去氫處理"。國內(nèi)也有相應(yīng)的標準，對電鍍鋅前、后的去氫處理作了規(guī)定。電鍍后去氫處理工藝廣泛采用加熱烘烤，常用的烘烤溫度為150~300°C，保溫2~24h。具體的處理溫度和時間應(yīng)根據(jù)零件大小、強度、鍍層性質(zhì)和電鍍時間的長短而定。去氫處理常在烘箱內(nèi)進行。鍍鋅零件的去氫處理溫度為110~220°C，溫度控制的高低應(yīng)根椐基體材料而定。對于彈性材料、0.5mm以下的薄壁件及機械強度要求較高的鋼鐵零件，鍍鋅后必須進行去氫處理。為了防止"鎘脆"，鍍鎘零件的去氫處理溫度不能太高，通常為180~200°C。

材料強度越大，其氫脆敏感性也越大，這是表面處理技術(shù)人員在編制電鍍工藝規(guī)范時必須明確的基本概念。國際標準要求抗拉強度σb>105kg/mm2的鋼材，要進行相應(yīng)的鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫處理。法國航空工業(yè)對屈服強度σs>90kg/mm2的鋼件就要求作相應(yīng)去氫處理。

由于鋼材強度與硬度有很好的對應(yīng)關(guān)系，因此，用材料硬度來判斷材料氫脆敏感比用強度來判斷更為直觀、方便。因為一份完善的產(chǎn)品圖和機加工工藝都應(yīng)標注鋼材硬度。在電鍍中我們發(fā)現(xiàn)鋼的硬度在HRC38左右時開始呈現(xiàn)氫脆斷裂的危險。對高于HRC43的零件，鍍后應(yīng)考慮去氫處理。硬度為HRC60左右時，在表面處理之后必須立即進行去氫處理，否則在幾小時之內(nèi)鋼件會開裂。

除了鋼材硬度外，還應(yīng)綜合考慮以下幾點:

(1)零件的使用安全系數(shù):安全重要性大的零件,應(yīng)加強去氫;

(2)零件的幾何形狀:帶有容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺口，小R等的零件應(yīng)加強去氫;

(3)零件的截面積:細小的彈簧鋼絲、較薄的片簧極易被氫飽和，應(yīng)加強去氫;

(4)零件的滲氫程度:在表面處理中產(chǎn)生氫多、處理時間長的零件，應(yīng)加強去氫;

(5)鍍層種類:如鍍鎘層會嚴重阻擋氫向外擴散，所以要加強去氫;

(6)零件使用中的受力性質(zhì):當零件受到高的張應(yīng)力時應(yīng)加強去氫，只受壓應(yīng)力時不會產(chǎn)生氫脆;

(7)零件的表面加工狀態(tài):對冷彎、拉伸、冷扎彎形、淬火、焊接等內(nèi)部殘留應(yīng)力大的零件，不僅鍍后要加強去氫，而且鍍前要去應(yīng)力;

(8)零件的歷史情況:對過去生產(chǎn)中發(fā)生過氫脆的零件應(yīng)特別加以注意，并作好相關(guān)記錄。

為有效地提高彈性緊固件(彈簧墊圈、錐形墊圈、鞍形墊圈、波形墊圈等)抗蝕防護性能和裝飾性，多半要進行表面處理，如發(fā)黑、磷化、電鍍鋅等處理。其中電解鍍鋅及鈍化處理應(yīng)用更為廣泛。

加上彈性緊固件的硬度一般在42-50HRc之間，由于材料及表面處理的原因，它對氫比較敏感，在電鍍后，除氫處理未達到驅(qū)氫目的，其殘存的氫會造成彈性緊固件的延遲斷裂。

目前，由延遲斷裂氫脆引發(fā)的彈性緊固件斷裂自然是一個嚴重的產(chǎn)品質(zhì)量問題，人們可以采取各種技術(shù)來減少和預(yù)防彈性緊固件的氫脆問題。

1、材料缺陷的影響

彈性緊固件材料表面缺陷對電鍍鋅的有害影響是不容忽視的，比如鋼板表面輕微裂紋折疊、斑痕蝕坑夾雜和超過允許深度的脫碳層，都會對彈性緊固件鍍鋅產(chǎn)生十分有害的影響，壓彎成型不當造成表面插劃傷，局部應(yīng)力集中等都會有不良影響。

2、熱處理工藝的影響

熱處理工藝對彈性緊固件電鍍鋅后的氫脆是有較大影響的，若硬度≥45HRc時，均會誘發(fā)或?qū)е聫椥跃o固件斷裂。

在確保熱處理技術(shù)參數(shù)的前提下，選擇適宜的加熱溫度，合理的加熱時間，充分予以回火。以最大限度地消除組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，避免其有害影響。淬火加熱時應(yīng)嚴防氧化和脫碳，網(wǎng)帶爐碳勢控制在0.60%-0.70%，鹽浴爐必須認真脫氧撈渣，進行硬度檢測時，嚴格注意表面層造成硬度虛假現(xiàn)象，使硬度測試值失真。一般應(yīng)控制在42-44HRc為佳，不要超過45HRc。

3、電鍍過程的影響

彈性緊固件由于氫的侵襲往往發(fā)生氫脆斷裂，造成重大損失。析氫滲氫在整個電解鍍鋅中是不可避免的，析出的氫能夠滲入鍍鋅層，甚至滲入基體金屬內(nèi)。鋅的吸氫大約在0.001%-0.100%，而鐵碳合金吸氫在0.1%左右。氫在金屬內(nèi)使晶格扭曲，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，致使其機械性能降低，析氫不僅對鍍層性能產(chǎn)生不利影響，如產(chǎn)生針孔、麻點、氣泡等缺陷，而且會滲透至基體金屬中，使金屬韌性大大降低，導(dǎo)致零件脆斷。析氫的原因除在熱處理外，較高的加熱溫度，氫很容易滲入零件應(yīng)力集中的區(qū)域，酸洗和電鍍都會發(fā)生析氫。

4、氫脆的預(yù)防

(1)電鍍鋅前必須嚴格控制陰極電解除油。對彈性緊固件(尤其是厚度≤1mm)，不宜采用陰極電解除油，而是采用陽極電解除油、化學(xué)除油或超聲波除油，也可以選用金屬清洗劑除油(效果較好)。

(2)對彈性緊固件不宜采用強酸腐蝕，而是采用噴砂或噴丸等處理方法達到凈化、活化表面目的。必須進行酸洗活化處理時，選用鹽酸較硫酸為好。注意掌握酸洗時間不宜過長(每次控制30-60s)，以多次短時間比長時間酸洗效果好。

(3)應(yīng)選擇氫脆性較小的鍍鋅電解液，一般而言，氯化物型鍍鋅電解液相對析氫較少，產(chǎn)生氫脆的可能性也小;而氰化物鍍鋅電解液析氫、滲氫較多，產(chǎn)生氫脆的機率也較大。

(4)采用有效的驅(qū)氫工序驅(qū)散滲氫，減少氫脆應(yīng)力。驅(qū)氫溫度一般為190-230℃，驅(qū)氫時間6-8h。在電鍍鋅后鈍化前2h內(nèi)進行，停留時間越短越好。

為了研究或防止氫脆，需要對金屬的氫脆情況進行測試，以獲取相關(guān)信息。測試氫脆的方法有好幾種，常用的有往復(fù)彎曲試驗和延遲破壞試驗。

(1)往復(fù)彎曲試驗往復(fù)彎曲試驗對低脆性材料比較靈敏，可以用來對不同基體材料在經(jīng)過相同的電鍍工藝處理后的氫脆程度進行比較，也可以對相同的基體材料上的不同電鍍工藝的氫脆程度進行比較。這種試驗的方法是取一個待測試片，其尺寸規(guī)格為:150mm×13mm×1.5mm，表面粗糙度Ra=1.6。對試片進行熱處理使之達到規(guī)定的硬度，然后用往復(fù)彎曲機讓試片在一定直徑的軸上以一定的速度進行緩慢的彎曲試驗，直至試片斷裂。彎曲方式有90。往復(fù)彎曲和180。單面彎曲兩種，以前一種方式應(yīng)用較多，彎曲的速度是0.6./s。如果是單面彎曲則所取的速度則為0.13。/s。評價的方法是將彎曲試驗至斷裂時的次數(shù)乘以角度，以獲得彎曲角度的總和，其角度總值越大，氫脆越小。

測試時要注意以下幾點。

①試片在進行熱處理后如果有變形，應(yīng)靜壓校平，不可以敲打校正，否則會使試片的內(nèi)應(yīng)力增加，影響試驗結(jié)果。

②為了防止應(yīng)力影響，電鍍前應(yīng)進行去應(yīng)力，在電鍍后則要進行除氫處理，這時檢測的是殘余氫脆的影響。

③彎曲試驗時所用的軸的直徑的選用很重要，因為評價這種試驗結(jié)果的量化指標與軸徑有關(guān)，對于小的軸徑，則彎曲至斷裂的次數(shù)就會少一些，具體選用什么軸徑要通過對基體材料的空白試驗來確定，并且在提供數(shù)據(jù)時要指明所用的軸徑，否則參數(shù)沒有可比性。

(2)延遲破壞試驗延遲破壞試驗是一種靈敏度較高的試驗方法，適合用于高強度鋼制品的氫脆檢測。這種氫脆測試也是在試驗

機上進行的，所用的試驗機為持久強度試驗機或蠕變試驗機，檢測試樣在這種試驗機上受到小于破壞程度的應(yīng)力的作用，觀測其直到斷裂時的時間。如果到規(guī)定的時間尚沒有發(fā)生斷裂，即為合格。這種試驗需要采用按一定要求制作的標準的測試驗棒。并且每次要使用三支同樣條件的試樣平行做試驗，以使結(jié)果更為可信。

這種試樣的形狀和尺寸要求如圖2-1，氫脆試樣棒示意其中關(guān)鍵位就是處于試樣中間軸徑最小的地方(直徑4.5mm士0.05mm)。如果有較為嚴重的氫脆，斷裂就從此處發(fā)生。試樣應(yīng)先退火后再經(jīng)車工加工為接近規(guī)定尺寸的初件，經(jīng)熱處理達到規(guī)定的抗拉強度后，再加工到精確尺寸。試樣在電鍍前要消除應(yīng)力，其工藝與電鍍件的真實電鍍過程相同。鍍層的厚度要求在12µm左右。試驗所用的負荷是進行空白測試時的75%。如果經(jīng)過200h仍不斷裂，即為合格。

范圍:本標準規(guī)定檢查緊固件氫脆的測試方法:適用于螺栓，螺柱，螺釘，螺母。墊圈定義:

1氫脆敏感性:由于鋼緊固件中存在著游離的 氫，在承受相應(yīng)等級的拉應(yīng)力并或處于不利于服役條下，鋼緊固件表現(xiàn)為一種脆性的破壞特性。

2氫脆傾向:如果緊固件由對氫脆敏感的鋼制成，并吸收了氫，其破壞傾向就會增大。 3生產(chǎn)批:同一標記的，用同一爐線材制造的，在整個連續(xù)周期內(nèi)，采用相同或類似工藝并經(jīng)過相同的熱處理和涂層覆蓋工藝的緊固件數(shù)量。試樣:實驗用的螺栓螺母等應(yīng)來自同一批生產(chǎn)，其工藝應(yīng)一致。試樣以目視觀察，應(yīng)看不見裂縫. 使用設(shè)備:實驗板，扭力扳手。預(yù)載荷:平行支持面法。測試程序:一、螺栓、螺釘、螺母或螺柱 1在實驗板上安裝5個螺栓或螺釘，使其緊貼實驗板表面.. 2用適當?shù)呐ちΠ馐謹Q緊組合件，直至達到各自的屈服點，擰緊扭矩的加載對象應(yīng)一致，最大擰緊速度20R/MIN. 3記錄 5個實驗組合的屈服點分別對應(yīng)的扭矩值。并算出平均值和最大最小值之間的差異，如差值小于平均值的15%，則此平均值作為實驗樣品的擰緊扭踞值。如果差值操過了15%，則應(yīng)將試樣分別擰緊直各自的屈服點。4在實驗板上擰緊規(guī)定的試樣,達到實驗擰緊扭矩，或是符合1-3條規(guī)定的屈服點。注:A實驗時，承受應(yīng)力之未旋合螺紋長度≥1D，且伸出螺母之完整螺紋長度應(yīng)<5P B 螺母的實驗與螺栓相同。二:彈簧墊圈 1將規(guī)定數(shù)量的試樣，用增墊圈相互隔開，裝到螺紋公稱直徑與其公稱直徑相同的實驗螺栓 (錐型彈簧性墊圈應(yīng)成對隔開) 2擰緊實驗組合件(螺帽)直至壓平彈簧性墊圈。三:1實驗最少應(yīng)持續(xù)48小時，實驗件應(yīng)每隔24小時重新擰緊一次，并施加到初始實驗擰緊扭矩功載荷。 2在實驗結(jié)束前，應(yīng)又一次擰緊實驗件，擰緊前應(yīng)擰退1/2圈，以確認短裂是否發(fā)生在螺紋旋合部件實驗評估:實驗結(jié)束后，在不使用放大鏡的條件下檢查試樣。若無目測可見之裂縫或短裂，則作為合格。注意事項:

1、實驗實施過程中，應(yīng)特別注意有氫脆條件的緊固件試樣可能突然斷裂，從而造成傷害，因此應(yīng)適當使用設(shè)備，以免傷害發(fā)生。

2、螺栓、螺釘、螺柱或螺母試樣在實驗前應(yīng)進行潤滑，以提高實驗的可靠性。

3、本實驗的靈敏度應(yīng)取決于實驗的開始時間 ，所以最好在制造結(jié)束后24小時內(nèi)進行，延長時間將會減少查出氫脆的可能性。

4、實驗中試樣出現(xiàn)裂縫，掉頭或是斷裂，并不一定是表面處理工藝引起的氫脆所致，可以用沒有經(jīng)過表面處理的緊固件進對比實驗，以確定產(chǎn)生氫脆的制程。 硅油檢測法:用200#硅油加熱到200℃±10℃恒溫，慢慢將試樣置入有硅油的容器中，5分鐘后檢查，若無連續(xù)氣泡產(chǎn)生，則視合格。

操作簡單，使用方便、經(jīng)濟實用，同時添加了高效緩蝕劑、抑霧劑，防止金屬出現(xiàn)過腐蝕和氫脆現(xiàn)象、抑制酸霧的產(chǎn)生。特別適用于小型復(fù)雜工件，不適合涂膏的情況，優(yōu)于市場同類產(chǎn)品。

操作簡單，使用方便、經(jīng)濟實用，同時添加了高效緩蝕劑、抑霧劑，防止金屬出現(xiàn)過腐蝕和氫脆現(xiàn)象、抑制酸霧的產(chǎn)生。特別適用于小型復(fù)雜工件，不適合涂膏的情況，優(yōu)于市場同類產(chǎn)品。