摘 要：氢脆开裂是环境氢从工件表面沿晶界进驻晶界并向内扩散，氢原子在此聚集，并在应力作用下最终导致沿晶界开裂。针对氢脆问题，结合紧固件产品的生产实践中的失效事例，研究了紧固件产品常见的氢脆失效模式，提出防治氢脆的10项原则，供设计或工艺人员参考。
关键词：氢脆；失效模式；高强度；热处理；防治原则
1.前言
氢脆是工程失效分析中常提起的一词，顾名思义，即氢导致金属材料脆性（变脆）。但从理论上而言，氢不但可使金属材料变脆，也可以使金属材料变韧，即氢致软化也可以硬化。在失效分析中，特别是断口分析中，开裂并不总是以脆性出现，也可以出现韧窝方式断裂。氢脆又称氢致开裂或氢损伤。
氢脆开裂是环境氢从工件表面沿晶界进驻晶界并向内扩散，氢原子在此聚集，并在应力作用下最终导致沿晶界开裂。氢脆的危害很大，为保证产品的可靠性，控制和预防氢脆是一项艰巨和持久的工作。
氢脆的机理很复杂，氢脆断裂现象也有多种，国际国内存在多种氢脆理论，如位错钉轧理论、晶界聚集理论、氢气泡理论、脆化相理论等等。每一种理论各支持部分现象，到目前为止还没有一种统一的理论能解释所有氢脆现象。
2.预防氢脆的原则
因氢在材料内部的聚集程度取决于氢含量、氢脆敏感组织、应力集中、应变速率4个因素的交互作用，难于量化确定其门槛，所以目前还没有准确界定是否发生氢脆的标准，以及针对性的解决措施，对有氢脆隐患的紧固件产品只能采取综合性防治措施。
以下结合近年来紧固件产品典型氢脆失效案例，依据产品特点，总结提炼出预防氢脆的原则，可有效指导设计人员或工艺人员开展氢脆防治工作。
2.1 在紧固件设计时，优先选择高强度、高韧性、抗延迟断裂性能好的材料
对于有高强度要求的10.9级或以上级螺栓，要尽量避免选用含碳马氏体强化钢，如40Cr、40Mn2钢，而优先选择CrMo、CrMoV系钢，如10.9级螺栓可考虑选用38SiMnVB、35CrMo和42CrMo钢；12.9级螺栓选用35CrMoV、45CrNiMoV 和42CrMoVNb钢,此类材料的主要强化机制为以弥散析出的第二相强化，氢脆敏感性低，有较高的断裂韧度和抗延迟断裂能力。
2.2 选用高强度钢时，应保证材料洁净度要求
钢中P、S、Sn、As等杂质元素易于在晶界偏聚，增加材料的氢脆敏感性，含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。对同种材料而言，钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。因此，对于10.9级或以上级螺栓，应选用冶炼质量级别相对较高的钢，保证材料有较好的洁净度，并选择材料综合性能最好的强度水平。
2.3 热处理工艺制定时，尽可能降低材料使用应力
对于10.9级或以上级螺栓，热处理工艺的制定尽可能选用较低的淬火温度和较高的回火温度，但必须达到所要求的显微组织。一般情况下，在钢强度处于材料抗拉强度中等水平以下，其材质中氢的质量分数小于1ppm的条件以下不会发生氢脆断裂；在钢强度处于螺栓级别抗拉强度偏高时，其材质中氢的质量分数小于1ppm的条件下，氢脆敏感性急剧增加。资料表明，当螺栓硬度为35HRC以上，氢含量高于5～10ppm时，或螺栓硬度在40HRC以上，氢含量高于1ppm时发生氢脆的可能性极大。
2.4表面有强化要求的紧固件，使用降低氢含量的工艺生产
自攻螺钉、自攻自钻螺钉渗碳淬火过程中必然伴随着氢的渗入，若伴随有渗硫现象，渗氢量会更大。渗碳气氛中氢的含量越大，渗氢量也越大，通氨气使渗氢量提高。在渗碳扩散阶段，可采用通氮气保护，降低环境氢含量来达到部分脱氢效果。 高强度垫圈气体渗氮中气源甲醇、氨气中的有机硫、无机硫和水，均是增加渗氢量的因素，并增加形成黑色组织（黑洞、黑网、黑带），易造成氢陷阱，必须制止。
原材料组织均匀，非金属夹杂物小、少并细化，可使脱氢效果增加。氢的消除随回火温度的升高，氢逸出量增加。受各种因素影响，对有力学性能要求的自攻螺钉、自攻自钻螺钉、高强度垫圈，尽量选择较高的回火温度回火，淬火后立即回火并适当延长回火时间，可防止氢进入各种陷阱，脱氢效果显著。
2.5非标件设计避免因突变、尖缺口等造成大的应力集中
金属中的氢会发生应力诱导扩散，氢由低应力区向高应力区扩散并聚集，从而造成高应力区的氢脆。因此，非标异型件设计应避免截面的突变，变截面的台阶应有足够的圆角过渡，降低高应力区的应力集中系数。
2.6 螺栓进行防腐处理时，采用低氢脆电镀或无氢脆涂覆
对于10.9级螺栓原则上一般不主张电镀锌，若采用低氢脆电镀时，其工艺特点为镀前需进行消除应力回火，禁止强酸清洗，使用喷砂工艺去除热处理过程中产生的氧化皮和表面污染物，电镀过程中严格控制电流密度，减少氢粒子的吸附量。对于10.9级或以上级螺栓尽量采用无氢脆涂覆，主要包括机械镀锌、粉末渗锌、锌铬涂覆层等。
2.7 设计高强度螺栓时，应考虑螺栓的使用环境，避免环境氢脆
有氢脆敏感性的高强度螺栓在使用过程中，如在高温氢（或致氢介质）环境中使用会发生高温氢腐蚀，在常温条件下与环境的水、腐蚀性介质等长时间接触会导致螺栓表面发生电化学覆蚀，如果发生析氢覆蚀反应可导致螺栓表面吸氢而发生环境氢脆。设计人员应认真分析产品使用环境，选择合适的材料及表面防护技术，确定明确的使用要求，防止高强度螺栓在使用过程中发生环境氢脆。
风机塔架上的连接M30X350六角头螺栓在安装后有5件出现断裂现象。5件螺栓断口形貌均具有典型的氢脆断裂形貌特征。该螺栓的表面处理为发黑，螺栓氢脆断裂是由于螺栓表面糊了泥与水，使螺栓周围形成了电化学覆蚀反应环境，反应中阴极析出氢，部分原子氢进入螺栓材料内部使局部氢富集、晶界弱化，导致螺栓发生延迟性氢脆断裂。
2.8 根据紧固件性能要求，选择适宜的热处理工艺
对于高强度钢而言，在各种不同的显微组织中，对氢脆敏感性从大到小一般顺序为马氏体、上贝氏体、下贝氏体、索氏体、珠光体、奥氏体。高强度螺栓的机械性能必须通过热处理淬火加回火完成的，在此过程中采用合适的热处理工艺制度就显得尤为重要，它不仅可以改善螺栓的显微组织，还可以降低螺栓对氢脆的敏感性。如果采用等温淬火工艺代替淬火加回火，可以得到氢脆敏感性小于回火马氏体的下贝氏体组织。
乘用车连接的六角头螺栓上的波形垫圈，在装配时出现断裂。采用普通淬火的热处理方式，波形垫圈系高碳弹簧钢淬火加中温回火，形成回火托氏体组织，氢脆敏感性增加，导致装配时产生氢脆断裂。经采用贝氏体等温淬火后，未再出现氢脆问题。
2.9 螺栓在进行表面处理时，应充分考虑防氢脆措施
对于高强度螺栓，应尽量避免采用渗氢严重的表面处理工艺，如采用电镀锌、强酸洗、电化学阴极除油和阴极、阳极交替除油等表面处理工艺。高强度螺栓除油时可用用阳极电解除油，为去除螺栓表面氧化皮进行酸洗时，应尽量采用稀的盐酸并加入缓蚀剂和表面活性剂，严禁用强酸洗，同时可研究采用喷砂、喷丸、液体喷砂等机械手段代替酸洗。
2.10 电镀件应按标准要求及时驱氢
对电镀后的螺栓、螺母进行190～210℃、6～8h的烘烤的热处理，称为驱氢处理。其目的是通过加强氢原子的热运动，使聚集于材料表面的氢原子从工件表面逸出，或内部扩散，降低局部浓度，减轻氢原子的聚集，以防止氢脆断裂。
驱氢处理并不能使氢原子全部逸出工件表面，氢原子向金属内部扩散需要的能量比较小，而向外扩散要克服表面能和金属镀层的阻碍，所以逸出表面的氢原子只是一部分。扩散在材料内部的氢原子还有可能在晶格缺陷、晶界或材料内应力大的部位聚集，因此驱氢只能减轻而不能彻底消除氢脆隐患。必须注意的是，具有氢脆敏感性组制的高强度螺栓重复电镀，尽管每次电镀后都进行驱氢。但氢原子在材料内部会逐渐累积，其氢脆的危险性会越来越高，所以具有氢脆倾向的高强度螺栓不允许多次电镀。
3.结语
紧固件氢脆研究是多领域的问题。氢脆断裂往往具有隐蔽性、延迟性、突发性、偶然性、必然性等几方面特点，因此具有极大的危险性和破坏性，一旦发生氢脆，往往会导致灾难性后果。本文提出的10项原则，采取积极有效的防治措施，可以在很大程度上避免氢脆的发生。
参考文献
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