“氫脆猛如虎”，在材料人的一生之中多多少少會(huì)遇到各種各樣的由于氫脆問題造成的工件失效的問題。材料的氫脆問題不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)對人類生產(chǎn)生活方面造成巨大的危害。

    在第二次世界大戰(zhàn)初期，英國皇家空軍一架Spitpie戰(zhàn)斗機(jī)由于引擎主軸斷裂而墜落，機(jī)毀人亡，此事震驚了英國朝野上下。1975年在美國芝加哥的一家煉油廠，因一根375px的不銹鋼管突然破裂，引起爆炸和火災(zāi)，造成工廠的長期停產(chǎn)。在軍事方面：美國“北極星”導(dǎo)彈因固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼破裂而不能發(fā)射，美空軍F-11戰(zhàn)斗機(jī)在空中突然墜毀等。途中行駛的汽車因傳動(dòng)軸突然斷裂而翻車，正在機(jī)床上切削的刀具突然斷裂等事故枚不勝舉。

    這些災(zāi)難性的惡性事故，瞬時(shí)發(fā)生，事先毫無征兆，嚴(yán)重地威脅著人們生產(chǎn)財(cái)產(chǎn)安全。起初科學(xué)工作者們對出事原因，眾說紛紜，一籌莫展。后來經(jīng)過長期觀察和研究，終于探明這一系列的惡性事故的罪魁禍?zhǔn)?mdash;—氫脆。

    一、氫脆

    氫脆又稱白點(diǎn)，是溶于鋼中的氫聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強(qiáng)度極限，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋。氫脆只可防，不可治。氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。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(jìn)入鋼材內(nèi)部的微量氫（10的負(fù)6次方量級(jí)）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(shí)，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。

    二、氫脆的機(jī)理

    氫脆的機(jī)理學(xué)術(shù)界還有爭議，但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為以下幾種效應(yīng)是氫脆發(fā)生的主要原因：

    在金屬凝固的過程中，溶入其中的氫沒能及時(shí)釋放出來，向金屬中缺陷附近擴(kuò)散，到室溫時(shí)原子氫在缺陷處結(jié)合成分子氫并不斷聚集，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，使金屬發(fā)生裂紋。

    在石油工業(yè)的加氫裂解爐里，工作溫度為300-500度，氫氣壓力高達(dá)幾十個(gè)到上百個(gè)大氣壓力，這時(shí)氫可滲入鋼中與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷。甲烷氣泡可在鋼中夾雜物或晶界等場所成核、長大并產(chǎn)生高壓導(dǎo)致鋼材損傷。

    在應(yīng)力作用下，固溶在金屬中的氫也可能引起氫脆。金屬中的原子是按一定的規(guī)則周期性地排列起來的，稱為晶格。氫原子一般處于金屬原子之間的空隙中，晶格中發(fā)生原子錯(cuò)排的局部地方稱為位錯(cuò)，氫原子易于聚集在位錯(cuò)附近。金屬材料受外力作用時(shí)，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布是不均勻的，在材料外形迅速過渡區(qū)域或在材料內(nèi)部缺陷和微裂紋處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中。在應(yīng)力梯度作用下氫原子在晶格內(nèi)擴(kuò)散或跟隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)向應(yīng)力集中區(qū)域。由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結(jié)合力變?nèi)酰@樣在高氫區(qū)會(huì)萌生出裂紋并擴(kuò)展，導(dǎo)致了脆斷。另外，由于氫在應(yīng)力集中區(qū)富集促進(jìn)了該區(qū)域塑性變形，從而產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。還有，在晶體中存在著很多的微裂紋，氫向裂紋聚集時(shí)有吸附在裂紋表面，使表面能降低，因此裂紋容易擴(kuò)展。

    某些金屬與氫有較大的親和力，過飽和氫與這種金屬原子易結(jié)合生成氫化物，或在外力作用下應(yīng)力集中區(qū)聚集的高濃度的氫與該種金屬原子結(jié)合生成氫化物。氫化物是一種脆性相組織，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導(dǎo)致脆性斷裂。

    工業(yè)管道的氫脆現(xiàn)象可發(fā)生在實(shí)施外加電流陰極保護(hù)的過程之中：現(xiàn)階段為了防止金屬設(shè)備發(fā)生腐蝕，一般大型的工業(yè)管道都采用外加電流的陰極保護(hù)方式，但是這種方式也能引發(fā)雜散電流干擾的高風(fēng)險(xiǎn)，可導(dǎo)致過保護(hù)，引發(fā)防腐層的破壞及管材氫脆。

    三、氫脆的類型

    氫脆斷裂在工程上是一種比較普遍的現(xiàn)象，但由于材料性能、加工工藝、服役環(huán)境、受力狀態(tài)不同，各種現(xiàn)象有較大差異。

    根據(jù)引起氫脆的氫之來源不同，氫脆可分成兩大類：一類為內(nèi)部氫脆，它是由于金屬材料在冶煉、鍛造、焊接或電鍍、酸洗過程中吸收了過量的氫氣而造成的；第二類氫脆稱為環(huán)境氫脆，它是在應(yīng)力和氫氣氛或其它含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種脆性斷裂，如貯氫的壓力容器中出現(xiàn)的高壓氫脆。

    內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆的區(qū)別，在于氫的來源不同，而它們的脆化本質(zhì)是否相同，目前尚未定論。

    一般認(rèn)為，內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆在微觀范圍（原子尺度范圍內(nèi)），其本質(zhì)是相同的，都是由于氫引起的材料脆化，但就宏觀范圍而言，則有差別。因?yàn)樗鼈兯哪承┻^程（如氫的吸收）、氫和金屬的相互作用、應(yīng)力狀態(tài)以及溫度，微觀結(jié)構(gòu)的影響等均不相同。

    四、氫脆斷口特征

    內(nèi)部氫脆斷口往往出現(xiàn)“白點(diǎn)”，白點(diǎn)又有兩種類型：一種是在鋼件中觀察到縱向發(fā)裂，在其斷口上則呈現(xiàn)白點(diǎn)。這類白點(diǎn)多呈圓形或橢圓形，而且輪廓分明，表面光亮呈銀白色，所以又叫做“雪斑”或發(fā)裂白點(diǎn)。這種白點(diǎn)實(shí)際上就是一種內(nèi)部微細(xì)裂紋，它是由于某種原因致使材料中含有過量的氫，因氫的溶解度變化（通常是隨溫度降低，金屬中氫的溶解度下降），過飽和氫未能擴(kuò)散外逸，而在某些缺陷處聚集成氫分子所造成的。一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)裂，材料便無法挽救。但在形成發(fā)裂前低溫長時(shí)間保溫，則可消除這類白點(diǎn)。

    另一種白點(diǎn)呈魚眼型，它往往是某些以材料內(nèi)部的宏觀缺陷如氣孔、夾渣等為核心的銀白色斑點(diǎn)，其形狀多數(shù)為圓形或橢圓形。圓白點(diǎn)的大小往往同核心的大小有關(guān)，即核心愈大，白點(diǎn)也愈大，白點(diǎn)區(qū)齊平而略為下凹，即為以焊接缺陷（氣孔）作為核心的魚眼型白點(diǎn)。

    產(chǎn)生魚眼白點(diǎn)，除氫和缺陷因素外，還必須有一定的條件，即應(yīng)有一定的塑性變形量和一定的形變速度。如果經(jīng)過去氫處理或消除魚眼核心缺陷，白點(diǎn)就不能形成；小于一定的塑性變形量，或用高的應(yīng)變速率（如沖擊），都不會(huì)產(chǎn)生這類白點(diǎn)，所以它是可以消除的，故又叫可逆氫脆。這類氫脆一般不損害材料的強(qiáng)度，只降低塑性。

    內(nèi)部氫脆斷口的微觀形態(tài)，往往是穿晶解理型或準(zhǔn)解理型花樣。在白點(diǎn)區(qū)是穿晶解理斷裂，而白點(diǎn)外則為微孔聚集型斷裂。

    五、防止措施

    首先，盡量縮短酸洗時(shí)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(qiáng)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?yàn)闅湟栽訝顟B(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(yán)重時(shí)會(huì)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，可以是設(shè)備在電鍍或酸洗時(shí)，由于鋼表面被吸附的氫原子達(dá)到過飽和態(tài)，使得氫滲入鋼中，也可以是設(shè)備使用后由介質(zhì)中吸收進(jìn)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。它的腐蝕面常可見到鋼的脫碳鐵素體，氫脆層有沿著晶界擴(kuò)展的腐蝕裂紋。腐蝕特別嚴(yán)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(huì)發(fā)生氫脆，主要決定于操作溫度、氫的分壓、作用時(shí)間和鋼的化學(xué)成分。溫度越高、氫分壓越高，碳鋼的氫脆層就越深，發(fā)生氫脆破裂的時(shí)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(yán)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(shí)可將絕大部分氫去除。

    氫在常溫常壓下不會(huì)對鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當(dāng)溫度超過300℃和壓力高于30MPa時(shí)，會(huì)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。

    氫脆的新現(xiàn)象與新認(rèn)識(shí)及防治方法

    氫致延遲斷裂是環(huán)境氫從工件表面沿晶界進(jìn)入并向內(nèi)擴(kuò)散，氫原子聚集，降低了界面結(jié)合強(qiáng)度，并在應(yīng)力作用下最終導(dǎo)致沿晶界開裂。但從理論上而言，氫不但可使金屬材料變脆，也可以使金屬材料變韌，即氫致軟化也可以硬化。在失效分析中，特別是斷口分析中，開裂并不總是以脆性出現(xiàn)，也可以出現(xiàn)韌窩方式斷裂。近年來， 螺紋高強(qiáng)度連接大量應(yīng)用，工程上氫脆斷裂仍然頻繁出現(xiàn)危害很大，且呈現(xiàn)出一系列新的現(xiàn)象和特點(diǎn)，為保證產(chǎn)品的可靠性，控制和預(yù)防氫脆是一項(xiàng)艱巨和持久的工作。

    1 氫脆的形成及危害

    緊固件，如高強(qiáng)度螺栓和彈性墊圈等，都有氫脆開裂的可能。氫脆開裂是環(huán)境氫從工件表面沿晶界進(jìn)入并向內(nèi)擴(kuò)散，氫原子聚集，并在應(yīng)力作用下最終導(dǎo)致沿晶界開裂。氫脆開裂是一個(gè)過程，促進(jìn)該過程的3個(gè)因素是材料、應(yīng)力和環(huán)境氫。（1）材料因素。高強(qiáng)度金屬材料或鈦、鉬等金屬易發(fā)生氫脆；屈服強(qiáng)度愈高，氫脆敏感性愈大。硫化物夾雜和未回火的馬氏體組織易發(fā)生氫脆。（2）應(yīng)力因素（指應(yīng)力引起氫脆）。在其他條件相同時(shí)，在臨界應(yīng)力以上，應(yīng)力愈高，氫脆敏感性愈大。（3）環(huán)境因素。環(huán)境中有H原子，或電極反應(yīng)有H原子析出時(shí)，均可能引起敏感性金屬的氫脆。發(fā)生氫脆的溫度為-100℃～200 ℃。氫脆的斷裂性質(zhì)為脆性斷裂，其宏觀斷口是齊平的，無塑性變形（如圖1所示）；斷裂的顯微特征是沿晶型或是穿晶型的（如圖2所示）。對于氫化物型氫脆，其裂紋沿晶界擴(kuò)展，并在晶界上可看到粒狀氫化物。

    氫脆存在如下幾個(gè)顯著特征：①惡化力學(xué)性能，特別是會(huì)顯著降低斷后伸長率和斷面收縮率；②改變斷裂機(jī)制，形成不同的斷口形貌，主要表現(xiàn)為隨材料中氫濃度的提高，斷裂模式由延性韌窩斷裂向脆性解理或沿晶斷裂轉(zhuǎn)變；③斷裂發(fā)生突然，無明顯征兆，因而往往引起嚴(yán)重后果。

    氫脆研究的新現(xiàn)象與新認(rèn)識(shí)表明，并非所有的氫都是有害的，其中擴(kuò)散氫才是有害的。而進(jìn)入深陷阱中的氫與基體結(jié)合使高濃度的氫難以擴(kuò)散，這部分氫稱為固溶氫，對氫脆開裂并無影響，用可視化顯微鏡能分辨出鋼中氫的存在狀態(tài)。

    多年來，對傳統(tǒng)鋼鐵材料的研究發(fā)現(xiàn)，氫脆主要取決于氫在金屬中的狀態(tài)。氫在金屬中的運(yùn)動(dòng)包括氫的吸附、擴(kuò)散、富集等，并與顯微組織形成交互作用，以形成氫壓、弱化金屬原子鍵合力，降低表面能或促進(jìn)局部塑性變形等方式促進(jìn)材料提前失效，發(fā)生脆性斷裂，主要表現(xiàn)為力學(xué)性能的顯著下降。材料中的氫脆主要是由可逆陷阱中的擴(kuò)散氫所致，氫陷阱不僅有碳化物粒子，還包括各類晶粒缺陷，如空位、位錯(cuò)、晶界、碳/氮化合物（夾雜）和相界等等，分別扮演不同的陷阱類型，且變形時(shí)由于各相組織的改變以及晶體缺陷密度的增加，導(dǎo)致氫的運(yùn)動(dòng)過程也更為復(fù)雜。

    金屬中氫陷阱種類的多樣性及與氫交互作用的多變性導(dǎo)致了金屬氫脆機(jī)理的復(fù)雜性。氫脆敏感性隨鋼鐵材料強(qiáng)度的提高急劇增加，特別是當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過1 000 MPa 后，氫脆幾乎是不可避免的破環(huán)性因素。此外，氫脆又具有組織敏感性的特征，尤其是作為強(qiáng)化相的馬氏體等非平衡組織引發(fā)氫脆的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵素體等平衡組織。

    氫脆的機(jī)理很復(fù)雜，氫脆斷裂現(xiàn)象也有多種，國際國內(nèi)存在多種氫脆理論，如位錯(cuò)釘軋理論、晶界聚集理論、氫氣泡理論、脆化相理論等等。

    2 氫脆破壞5大特征

    當(dāng)鋼制緊固件的強(qiáng)度水平過高時(shí)，在實(shí)際環(huán)境中服役時(shí)對氫致延遲斷裂就變得十分敏感，且隨強(qiáng)度的提高其氫致延遲斷裂的敏感性增大。氫具有所有元素中最小的原子尺寸，即使在室溫下在固體金屬中也可以迅速擴(kuò)散，積聚在顯微組織缺陷如空隙、位錯(cuò)、晶界及析出物等處。有研究證實(shí)，鋼的氫脆敏感性隨回火溫度的升高而降低，當(dāng)回火溫度達(dá)到600℃時(shí)，各試驗(yàn)鋼對氫幾乎不再敏感。提高回火溫度是改善高強(qiáng)度緊固件氫致延遲斷裂抗力的一種十分有效的途徑，其主要原因除回火處理使鋼中的淬火內(nèi)應(yīng)力、位錯(cuò)密度和小角度晶界等降低外，碳化物形態(tài)的變化也是其中的重要原因。

    2.1 破壞必須是延遲斷裂

    延遲斷裂通常是安裝24h以后，如果破壞發(fā)生在裝配期間，就不是氫脆引起的，如果延遲是在裝配后一周甚至更久以后，那么斷裂原因大概是應(yīng)力腐蝕而非氫脆。破壞形式和金相組織的外觀上應(yīng)力腐蝕破壞和氫脆破壞是一致的，應(yīng)力腐蝕的基本條件是“延遲斷裂是在裝配24～48 h甚至更長以后發(fā)生”。

    2.2必須是淬火至少到洛氏37HRC以上

    未經(jīng)硬化的緊固件從不遭受氫脆，緊固件在洛氏36HRC以下時(shí)不太可能遭受氫脆而破壞，10.9、12.9級(jí)螺栓以及彈簧墊圈等，都屬于通用緊固件，因?yàn)橛捕雀撸砻娼?jīng)過淬火硬化，所以對氫脆破壞非常敏感。

    2.3破斷部件必須經(jīng)過“電鍍處理”

    在電鍍前清洗螺栓表面氧化皮通常采用酸洗，造成氫產(chǎn)生并非因電鍍的關(guān)系。對疑似氫脆的案例，外觀上必須是內(nèi)部成分的晶粒間斷裂，破斷的表面相對圓滑、紋理平直，還可看到表面有晶亮狀外觀與許多尖銳的外觀表面或小平面，類似破碎巖石糖果狀。

    2.4螺栓因扭矩過大所引起的或拉應(yīng)力產(chǎn)生破壞

    螺栓斷裂面有產(chǎn)生的峰值和谷值稱為韌窩，也稱韌性斷口。相反，脆斷表現(xiàn)氫脆破壞的特點(diǎn)，如果所看到的螺栓斷口破壞面有峰值和谷值及海灘狀，那就有可能破壞不屬于氫脆。

    2.5破壞位置比較集中

    螺栓頭桿結(jié)合部位是破壞位置，斷口常常象刀劈下來一樣，如果氫氣所處在并非這個(gè)部位，那么就不是氫脆。氫脆破壞總是發(fā)生在應(yīng)力集中最大處。如果螺栓完全擰緊，破壞通常是在螺栓頭與桿體結(jié)合處，如果在安裝中有直線度超差或彎曲方式，破壞將會(huì)很可能出現(xiàn)在螺紋嚙合處之上以外。

    氫脆破壞必須具備以上5項(xiàng)特征，僅有1項(xiàng)不符合，就不能說是因氫脆所產(chǎn)生的破壞或失效。

    3 氫脆的新現(xiàn)象與新認(rèn)識(shí)

    鋼鐵緊固件在冶煉、酸洗、電鍍、焊接、熱處理過程中以及隨后的服役時(shí)均存在氫滲入的幾率，從而導(dǎo)致高強(qiáng)度緊固件存在發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)；再加上服役時(shí)應(yīng)力梯度作用下氫易向高應(yīng)力區(qū)（如相界等）富集，顯著增加了承載時(shí)發(fā)生氫脆的可能性。

    由于氫在材料內(nèi)部的聚集程度取決于氫含量、氫脆敏感組織、應(yīng)力集中、應(yīng)變速率4個(gè)因素的交互作用，難于量化確定其門檻，所以目前還沒有準(zhǔn)確界定是否發(fā)生氫脆的標(biāo)準(zhǔn)，以及針對性的解決措施，對有氫脆隱患的緊固件產(chǎn)品只能采取綜合性防治措施。根據(jù)近年來緊固件產(chǎn)品典型氫脆失效的典型特征，發(fā)現(xiàn)并歸納了一些新現(xiàn)象，具體表現(xiàn)如下。

    （1）強(qiáng)度的變化。抗拉強(qiáng)度低于1 000 MPa不容易發(fā)生氫脆斷裂，但低于10.9級(jí)螺栓有時(shí)也會(huì)發(fā)生氫脆失效。對于8.8級(jí)小規(guī)格45鋼電鍍螺栓，表面處理或驅(qū)氫不當(dāng)，在服役初期發(fā)生斷裂，Rm僅為1 000 MPa左右，SEM斷口形貌上具有準(zhǔn)解理、二次裂紋、撕裂棱等氫脆特征，其原因在于螺栓的實(shí)際強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)中的抗拉強(qiáng)度，且在酸洗、電鍍后未及時(shí)驅(qū)氫。40Cr鋼10.9級(jí)螺栓，由于其熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，組織為回火索氏體，一般不易發(fā)生氫脆斷裂。實(shí)際上，由于螺栓實(shí)際強(qiáng)度偏高可在1180 MPa左右，導(dǎo)致其發(fā)生氫脆斷裂失效的案例并不在少數(shù)。

    （2）H含量的變化。發(fā)生氫脆斷裂的螺栓的H含量有時(shí)非常低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-6  的H含量也出現(xiàn)氫脆的典型斷裂特征。斷裂螺栓SEM斷口形貌為沿晶+韌窩斷裂特征，可知螺栓存在一定程度的回火脆性，檢測平均H質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1×10-6  ，在如此低的H含量下不容易發(fā)生氫脆，自攻螺釘在第一類回火脆性區(qū)域250～350 ℃回火，回火脆對氫脆起著明顯的促進(jìn)作用。研究結(jié)果表明，回火脆程度較小，回火脆和氫脆為線性相加；回火脆程度較大，回火脆將大大加劇氫脆程度。也就是說，回火脆將降低材料發(fā)生氫脆斷裂的臨界H含量。如40Cr鋼10.9級(jí)螺栓在H含量為3×10-6  條件下發(fā)生氫脆斷裂，而根據(jù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，SCM435、SWRCH45K鋼螺栓H含量為10×10-6  ～15×10-6  以上時(shí)，才有發(fā)生氫脆斷裂的可能性。對失效螺栓分析認(rèn)為：在較低的氫含量下發(fā)生氫脆斷裂，其主要原因是由于螺栓存在中等程度的回火脆斷。

    （3）斷口特征的變化。一是斷口撕裂棱（雞爪痕）的減少；二是瞬斷區(qū)面積變大，有的螺栓氫脆裂紋區(qū)占斷口面積很小，瞬斷區(qū)所占比例較大。

    （4）發(fā)生氫脆的尺寸一般較小。小規(guī)格螺栓、螺母、彈墊、鉚釘、圓柱銷等，不引人注意，但發(fā)生氫脆隱患的范圍很大。其原因是緊固件越小，加工成形時(shí)形變量越大，晶粒越細(xì)小，所以小零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)往往遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度，造成其對氫脆極為敏感。

    （5）氫脆與其它失效模式，如疲勞、應(yīng)力腐蝕等交織在一起。如斷口上出現(xiàn)了疲勞與氫脆交織的現(xiàn)象，是氫在斷裂過程中起到了重要作用，與自身的H含量相關(guān)（由環(huán)境中的H引發(fā)的氫脆除外）。氫脆與應(yīng)力腐蝕交織在一起，都與材料的組織狀態(tài)、強(qiáng)度水平、殘余應(yīng)力等密切相關(guān)，取決于表面防護(hù)效果及環(huán)境（腐蝕介質(zhì)等）。

    4 預(yù)防氫脆的方法

    4.1 優(yōu)先選擇高強(qiáng)度、高韌性、抗延遲斷裂性能好的材料

    對于10.9或以上級(jí)高強(qiáng)度螺栓，要盡量避免選用含碳馬氏體強(qiáng)化鋼，如40Cr,40Mn2鋼，而優(yōu)先選擇CrMo,CrMoV系列鋼。如10.9級(jí)螺栓可考慮選用、35CrMo、42CrMo和B7鋼；12.9級(jí)螺栓選用35CrMoV、45CrNiMoV 和42CrMoVNb鋼，此類材料的主要強(qiáng)化機(jī)制為以彌散析出的第二相強(qiáng)化，氫脆敏感性低，有較高的斷裂韌度和抗延遲斷裂能力。

    4.2 選用高強(qiáng)度鋼時(shí)，應(yīng)保證材料潔凈度要求

    鋼中P，Sn，As等雜質(zhì)元素易于在晶界偏聚，增加材料的氫脆敏感性，含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性低。對同種材料而言，鋼的強(qiáng)度等級(jí)越高，對氫脆越敏感。因此，對于10.9或以上級(jí)螺栓，應(yīng)選用冶煉質(zhì)量級(jí)別相對較高的鋼，保證材料有較好的潔凈度，并選擇材料綜合性能最好的強(qiáng)度水平。

    4.3綜合考慮螺栓強(qiáng)韌性，盡可能降低材料使用應(yīng)力

    對于10.9或以上級(jí)螺栓，熱處理工藝的制定盡可能選用較低的淬火溫度和較高的回火溫度，但必須達(dá)到所要求的顯微組織。高強(qiáng)度螺栓淬火后，在200～600 ℃回火溫度范圍內(nèi)，氫脆敏感性隨回火溫度升高逐漸減小，高于500 ℃回火后，高強(qiáng)度螺栓對氫脆幾乎不敏感，這與馬氏體的充分回火有關(guān)。在低溫回火態(tài)，馬氏體內(nèi)析出的碳化物主要以薄膜狀分布于原奧氏體晶界，與富集在這些位置的氫共同作用以脆化晶界，而在高溫回火態(tài)，晶界碳化物逐漸斷裂、球化，并在晶內(nèi)析出大量彌散的細(xì)小碳化物，這些碳化物作為氫的強(qiáng)陷阱捕集大量的氫，有效降低界面處氫的濃度，改善了抗氫脆性能，具體表現(xiàn)為材料塑性的顯著回復(fù)。如果緊固件組織中的馬氏體為中低碳馬氏體（板條狀低碳馬氏體為主+少量針狀馬氏體），則氫脆傾向也較小。氫在馬氏體中的溶解度只有奧氏體中的1/10，但擴(kuò)散系數(shù)卻高出3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，由此導(dǎo)致超出溶解極限的氫能夠以極快的速度向馬氏體中的晶體缺陷處遷移富集，進(jìn)而引發(fā)局部區(qū)域裂紋的提前萌生、擴(kuò)展并最終引起脆斷的發(fā)生。

    4.4 對表面有強(qiáng)化要求的緊固件，必須使用降低H含量的工藝生產(chǎn)

    自攻螺釘、自攻自鉆螺釘滲碳或碳氮共滲淬火過程中必然伴隨著氫的滲入，若伴隨有滲硫現(xiàn)象，滲氫量會(huì)更大。滲碳?xì)夥罩蠬的含量越大，滲氫量也越大，通氨氣使?jié)B氫量提高。在滲碳擴(kuò)散階段，可采用通氮?dú)獗Ｗo(hù)，降低環(huán)境H含量來達(dá)到部分脫氫效果。

    高強(qiáng)度彈簧墊圈氣體滲氮中氣源甲醇、氨氣中的有機(jī)硫、無機(jī)硫和水，均是增加滲氫量的因素，并增加形成黑色組織（黑洞、黑網(wǎng)、黑帶），易造成H陷阱，必須制止。

    原材料組織均勻，非金屬夾雜物小、少并細(xì)化，可使脫氫效果增加。H的消除隨回火溫度的升高，H逸出量增加。受各種因素影響，對自攻螺釘、自攻自鉆螺釘、高強(qiáng)度彈簧墊圈，盡量選擇較高的回火溫度回火，淬火后立即回火并適當(dāng)延長回火時(shí)間，可防止H進(jìn)入各種陷阱，脫氫效果顯著。

    4.5非標(biāo)異型件設(shè)計(jì)避免因面積突變、尖銳缺口等較大的應(yīng)力集中

    金屬中的H會(huì)發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散，H由低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散并聚集，從而造成高應(yīng)力區(qū)的氫脆。因此，非標(biāo)件設(shè)計(jì)應(yīng)避免截面的突變，變截面的臺(tái)階應(yīng)有足夠的圓角過渡，降低高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)。

    4.6 高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行防腐處理時(shí)，采用低氫脆電鍍或無氫脆涂覆

    對于10.9級(jí)螺栓原則上一般不主張電鍍鋅，若采用低氫脆電鍍時(shí)，其工藝特點(diǎn)為鍍前需進(jìn)行消除應(yīng)力回火，禁止強(qiáng)酸清洗，使用噴砂工藝去除熱處理過程中產(chǎn)生的氧化皮和表面污染物，電鍍過程中嚴(yán)格控制電流密度，減少氫粒子的吸附量。對于10.9或以上級(jí)螺栓盡量采用無氫脆涂覆，主要包括機(jī)械鍍鋅、粉末滲鋅、鋅鉻涂覆層等。

    4.7 設(shè)計(jì)選用高強(qiáng)度螺栓時(shí)，應(yīng)考慮螺栓的使用環(huán)境，避免環(huán)境氫脆

    有氫脆敏感性的高強(qiáng)度螺栓在使用過程中，如在高溫氫（或致氫介質(zhì)）環(huán)境中使用會(huì)發(fā)生高溫氫腐蝕，在常溫條件下與環(huán)境的水、腐蝕性介質(zhì)等長時(shí)間接觸會(huì)導(dǎo)致螺栓表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，如果發(fā)生析氫腐蝕反應(yīng)可導(dǎo)致螺栓表面吸氫而發(fā)生環(huán)境氫脆。設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真分析產(chǎn)品使用環(huán)境，選擇合適的材料及表面防護(hù)技術(shù)，確定明確的使用要求，防止高強(qiáng)度螺栓在使用過程中發(fā)生環(huán)境氫脆。

    某風(fēng)電機(jī)組塔架上的連接M36X350六角頭螺栓，在安裝后有5件出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。5件螺栓斷口形貌均具有典型的氫脆斷裂形貌特征。該螺栓的表面處理為發(fā)黑，螺栓氫脆斷裂是由于螺栓表面糊了泥與水，使螺栓周圍形成了電化學(xué)腐蝕反應(yīng)環(huán)境，反應(yīng)中陰極析出H，部分原子H進(jìn)入螺栓材料內(nèi)部使局部H富集、晶界弱化，導(dǎo)致螺栓發(fā)生延遲性氫脆斷裂。

    4.8 選擇適宜的熱處理工藝

    對于高強(qiáng)度鋼而言，在各種不同的顯微組織中，對氫脆敏感性從大到小一般順序?yàn)轳R氏體、上貝氏體、下貝氏體、索氏體、珠光體、奧氏體。高強(qiáng)度螺栓的機(jī)械性能必須通過熱處理淬火加回火完成的，在此過程中采用合適的熱處理工藝制度就顯得尤為重要，它不僅可以改善螺栓的顯微組織，還可以降低螺栓對氫脆的敏感性。試驗(yàn)表明，顯著的氫脆特征主要源于應(yīng)變過程中殘余奧氏體發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變，貝氏體對氫脆不敏感。如果采用等溫淬火工藝代替淬火并回火，可以得到氫脆敏感性小于回火馬氏體的下貝氏體組織。

    某汽車上的六角頭組合螺栓錐形墊圈，在裝配時(shí)出現(xiàn)斷裂。分析認(rèn)為：采用普通淬火的熱處理方式，錐形墊圈系高碳彈簧鋼淬火加中溫回火，獲得回火托氏體組織，氫脆敏感性增加，在隨后的發(fā)黑酸洗中氫滲入，導(dǎo)致裝配時(shí)產(chǎn)生氫脆斷裂，經(jīng)采用等溫淬火后，形成貝氏體組織，未再出現(xiàn)氫脆問題。

    4.9進(jìn)行表面處理時(shí)充分考慮防氫脆措施

    對于高強(qiáng)度螺栓，應(yīng)盡量避免采用滲氫嚴(yán)重的表面處理工藝，如采用電鍍鋅、強(qiáng)酸洗、電化學(xué)陰極除油和陰極、陽極交替除油等表面處理工藝。高強(qiáng)度螺栓除油時(shí)可用陽極電解除油，為去除螺栓表面氧化皮進(jìn)行酸洗時(shí)，應(yīng)盡量采用稀釋的鹽酸并加入緩蝕劑和表面活性劑，嚴(yán)禁用強(qiáng)酸洗，同時(shí)可研究采用噴砂、噴丸、液體噴砂等機(jī)械手段代替酸洗。

    4.10 電鍍件應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)要求及時(shí)驅(qū)氫

    對電鍍鋅的螺栓、螺母在電鍍后2h內(nèi)，及時(shí)進(jìn)行190～210 ℃、8～12 h的烘烤的熱處理，稱為驅(qū)氫處理。其目的是通過加強(qiáng)H原子的熱運(yùn)動(dòng)，使聚集于材料表面的H原子從工件表面逸出，或內(nèi)部擴(kuò)散，降低局部濃度，減輕H原子的聚集，以防止氫脆斷裂。

    驅(qū)氫處理并不能使氫原子全部逸出工件表面，H原子向金屬內(nèi)部擴(kuò)散需要的能量比較小，而向外擴(kuò)散要克服表面能和金屬鍍層的阻礙，所以逸出表面的氫原子只是一部分。擴(kuò)散在材料內(nèi)部的氫原子還有可能在晶格缺陷、晶界或材料內(nèi)應(yīng)力大的部位聚集，因此驅(qū)氫只能減輕而不能徹底消除氫脆隱患。

    必須注意的是，具有氫脆敏感性組織的高強(qiáng)度螺栓重復(fù)電鍍，盡管每次電鍍后都進(jìn)行驅(qū)氫。但H原子在材料內(nèi)部會(huì)逐漸累積，其氫脆的危險(xiǎn)性會(huì)越來越高，所以具有氫脆傾向的高強(qiáng)度螺栓不允許多次電鍍。（來源：2016會(huì)議文集；作者：馮琴）

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