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    談氫色變-氫脆只可防

    發表時間:2020-3-19 9:31:55  作者:三圓  來源:三圓  瀏覽量:1859

    在一般的電鍍過程中,通過電解溶液在陰極上析出金屬離子外還伴隨著氫離子的析出,這種析氫的不利影響就是發生氫脆現象,以致金屬基體發生裂紋至斷裂,引發安全事故。所以,在電鍍的表面處理中,氫脆一直是不可避免的話題。

    1、什么是氫脆

    氫脆是溶于鋼中的氫,聚合為氫分子,造成應力集中,當超過鋼的強度極限,會在鋼內部形成細小的裂紋。

    防松原理

    彈性鎖緊環在自由狀態時向下呈一定角度且其本身內徑略小于螺栓大徑。在擰緊螺栓時,鎖緊環自動向上抬升且水平切向螺栓螺紋。同時由于螺栓的擰入,螺母會對螺栓螺紋產生向下的壓緊力,這樣就使螺栓受到全方位360度鎖緊,從而達到鎖緊效果。

    氫脆現象及其機理

    氫脆通常表現為應力作用下的延遲斷裂現象。氫脆與氫的擴散有關,然而擴散是需要時間的。擴散速度與氫濃度、溫度和材料的種類都息息相關。因此,氫脆通常表現為延遲斷裂。

    氫脆機理可理解為零件內部的氫向應力集中的部位聚集,而這些部位的金屬缺陷較多(如原子點陣錯位、空穴等),當氫擴散到這些缺陷處,氫原子合成氫分子,產生巨大的壓力,這個壓力與材料內部的殘留應力以及材料所承受的外部應力,組成一個合力,當這合力超過材料的屈服強度,就會導致斷裂發生。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。

    其實,氫脆的機理很復雜,氫脆斷裂現象也有多種,國際國內存在多種氫脆理論,如位錯釘軋理論、晶界聚集理論、氫氣泡理論、脆化相理論等等。每一種理論各支持部分現象。

    2、氫脆的預防措施

    氫脆現象不僅源于電鍍酸洗,還可能是服役環境中吸收的氫而引發氫脆。鑒于氫脆的危險性,合理的預防措施將變得尤為重要。

    高強度鋼應具備高韌性和抗延遲斷裂能力

    對于高強度螺栓,要盡量避免選用含碳的馬氏體強化鋼,要優先選擇CrMo,CrMoV系列鋼,這類鋼氫脆敏感性低,有較高的斷裂韌度和抗延遲斷裂能力。

    選用的高強度鋼應雜質少,純度高

    由于As、P等雜質元素易于晶界偏聚,降低了晶界的斷裂強度,當選用高強度鋼材,鋼對氫脆的敏感性明顯增加。相反,鋼中雜質含量少,鋼材純度得到提高,則降低鋼對氫脆的敏感性。當我們選用10.9級/12.9級的高強度螺栓,應選用冶煉質量高的鋼材來保證其純度,降低其雜質。

    熱處理工藝應進行合理選擇

    高強度螺栓熱處理工藝中盡可能選用較低的淬火溫度和較高的回火溫度,當然還要達到所需要的顯微組織。高強度螺栓淬火后,氫脆敏感性隨回火溫度升高逐漸減小。在高溫回火狀態,晶界碳化物作為氫的強陷阱捕集大量的氫,有效降低界面處氫的濃度,改善了抗氫脆性能。

    高強度緊固件可選無氫脆涂覆

    對于10.9級螺栓原則上一般不建議電鍍。對于10.9級或以上級別螺栓建議采用非電解鋅片涂層如鋅鋁涂層,也可選用機械鍍鋅等。若執意電鍍,可考慮低氫電鍍,鍍前應回火消除應力,可使用噴砂、拋丸等工藝代替酸洗去除氧化皮和表面油污,避免強酸洗。電鍍過程中還應嚴格控制電流密度,減少氫離子的吸附量。

    充分考慮服役環境,避免發生環境氫脆

    高強度螺栓在常溫條件下與水、腐蝕性介質等長時間接觸會發生電化學腐蝕,如果發生析氫腐蝕反應可導致螺栓表面吸氫而發生氫脆。

    高強度鋼應具備高韌性和抗延遲斷裂能力

    對于高強度螺栓,要盡量避免選用含碳的馬氏體強化鋼,要優先選擇CrMo,CrMoV系列鋼,這類鋼氫脆敏感性低,有較高的斷裂韌度和抗延遲斷裂能力。

    選用的高強度鋼應雜質少,純度高

    由于As、P等雜質元素易于晶界偏聚,降低了晶界的斷裂強度,當選用高強度鋼材,鋼對氫脆的敏感性明顯增加。相反,鋼中雜質含量少,鋼材純度得到提高,則降低鋼對氫脆的敏感性。當我們選用10.9級/12.9級的高強度螺栓,應選用冶煉質量高的鋼材來保證其純度,降低其雜質。

    熱處理工藝應進行合理選擇

    高強度螺栓熱處理工藝中盡可能選用較低的淬火溫度和較高的回火溫度,當然還要達到所需要的顯微組織。高強度螺栓淬火后,氫脆敏感性隨回火溫度升高逐漸減小。在高溫回火狀態,晶界碳化物作為氫的強陷阱捕集大量的氫,有效降低界面處氫的濃度,改善了抗氫脆性能。

    高強度緊固件可選無氫脆涂覆

    對于10.9級螺栓原則上一般不建議電鍍。對于10.9級或以上級別螺栓建議采用非電解鋅片涂層如鋅鋁涂層,也可選用機械鍍鋅等。若執意電鍍,可考慮低氫電鍍,鍍前應回火消除應力,可使用噴砂、拋丸等工藝代替酸洗去除氧化皮和表面油污,避免強酸洗。電鍍過程中還應嚴格控制電流密度,減少氫離子的吸附量。

    充分考慮服役環境,避免發生環境氫脆

    高強度螺栓在常溫條件下與水、腐蝕性介質等長時間接觸會發生電化學腐蝕,如果發生析氫腐蝕反應可導致螺栓表面吸氫而發生氫脆。

    電鍍后及時做驅氫處理

    對電鍍鋅的緊固件應及時進行驅氫處理。其目的是使聚集于材料表面的H原子從工件表面逸出,降低局部濃度,減輕H原子的聚集,以防止氫脆斷裂。

    驅氫處理并不能使氫原子全部逸出工件表面,H原子也可能向金屬內部擴散。擴散在材料內部的氫原子還有可能在晶格缺陷、內應力大的部位聚集,因此驅氫只能減輕而不能徹底消除氫脆風險。

    3、氫脆的實驗方法

    檢測氫脆的實驗方法主要根據GB3098.17的預載荷實驗-平行支撐面法。

    試驗必要性以及適用范圍

    氫脆會引起鋼鐵基體韌性以及承載能力的降低,使其發生斷裂失效,這種失效是由氫引起的具有一定延遲性的脆性失效。帶有這種隱患的螺栓可能在常規的拉力實驗中無法及時發現其韌性降低,但是我們可根GB3098.17 在常溫下進行預載荷試驗-平行支撐面法來檢查氫脆 。

    如試件本身對氫脆敏感性高又具有氫脆傾向,是很有必要進行預載荷實驗。氫脆敏感性高的緊固件其本身存在游離氫含量也增多,在承受拉力的時候就可能發生脆性破壞。如果這種緊固件材質本身已經吸收氫,其發生破壞的傾向就越大。

    該標準適用于由鋼制成并承受拉應力的下述緊固件,且試驗溫度范圍為10-35℃。
    1.螺栓、螺釘、螺柱;
    2.自擠螺釘
    3.自攻螺釘
    4.自鉆自攻螺釘
    5.螺母
    6.墊圈

    試驗程序與方法(以錐形彈墊為例)
    將錐形彈墊試件裝到與其公稱直徑相匹配的螺栓上
    用平墊將每個錐形彈墊相互隔開
    平墊硬度大于錐形彈墊的硬度且最低硬度為40HRC
    扳擰螺母,直至與第一個墊圈接觸
    擰緊組件,直至將錐形彈墊完全壓平

    試驗最少持續48h,緊固件至少每隔24h重擰一次,施加到初始試驗擰緊扭矩或載荷,如果至少有一件緊固件的扭矩損失超過50%,試驗應在相同的緊固件上重新開始。試件若無任何目測可見的裂縫和斷裂,則通過該試驗。
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