螺丝氢脆断头分析

螺丝氢脆断头分析

什么是氢脆？What is hydrogen embrittlement?

氢脆是指由于氢原子在金属组织中夹杂而导致金属变脆的现象。据个人对螺丝产品结构及性能的了解，导致氢脆断头的原因大致有以下几种：

一、结构

1、螺丝头部槽型与杆部成的比例不适时，即槽深太深，杆部直径过小，头部与杆部的连接处太簿，产生应力集中。此时会使产品出现头现象。

2、头下圆角过小，即打冷镦打成直角时，也会产生应力集中，导致产品断头。

二、热处理

产品在热处理的过程中，因热处理的硬度过高，此时也会使产品断头。

三、电镀过程

在电镀后除氢不到位，也会使产品产生断头。

钢铁件在过程中出现氢脆的情况较多。这主要是在进行酸洗、阴极除油、电镀等过程中，都有还原态氢原子生成，由于氢原子的半径最小，可以自由进入金属结晶的间隙占据一定的晶位，使晶格变形，带来内应力或使基体或镀层局部硬度增加，造成脆性，这就是常说的氢脆。进入基体和镀层间的氢还会使镀层起泡。

氢脆对高强度钢和弹性制件的危害特别大，在人们没有认识氢脆的危害以前，曾经因为氢脆的实际存在而造成过许多严重的质量事故，造成严重的设备损坏和人员伤亡事故。因此在认识到氢脆的严重危害性以后，防止氢脆就成为电镀等有渗氢可能的加工工艺的一项重要指标。

为了防止氢脆，在酸洗液中要加入一些缓蚀剂，抑制氢的析出。电解除油要采用阳极电解。电镀中也要采用较大电流密度和采用电流效率高的镀种等。同时，对于氢脆敏感的制件，在电镀完成后，要在恒温箱中200℃去氢2h，以除去氢脆的影响。对要求很高

的产品可以进行真空除氢。

氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。氢脆只可防，不可治。氢脆一经产生，就消除不了。在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部的微量氢(10—6量级)在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到200℃以上数小时，可使内氢减少)恢复钢材的性能。因此内氢脆是可逆的。

热处理不适用的情况

热处理的方法是将工件加热至某一温度，保温一段时间，缓冷，使氢随溶解度逐渐变小，逐渐析出。但加热会破坏镀层，因此热处理的方法对于经过电镀的工件并不适用。

首先，尽量缩短酸洗时间；其次加缓蚀剂，减少产氢量。

压力容器的氢脆(或称)是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物还原。造成压力容器氢脆破坏的氢，可以是设备中原来就存在的，例如，炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被还原而生成氢，并溶解在液体金属中。或设备在电镀或酸洗时，钢表面被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢中；也可以是使用后由介质中吸收进入的，例如在石油、化工容器中，就有许多介质中含氢或含混有硫化氢的杂质。钢发生氢脆的特征主要表现在微观组织上。它的腐蚀面常可见到钢的脱碳铁素体，氢脆层有沿着晶界扩展的腐蚀裂纹。腐蚀特别严重的容器，宏观上可以发现氢脆所产生的鼓包。介质中含氢(或硫化氢)的容器是否会发生氢脆，主要决定于操作温度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。温度越高、氢分压越高，碳钢的氢脆层就越深，发生氢脆破裂的时间也越短，其中温度尤其是重要因素。钢的含碳量越高，在相同的温度和压力条件下，氢脆的倾向越严重。钢中添有铬、钛、钒等元素，可以阻止氢脆的产生。

出现氢脆的工件通过除氢处理（如加热等）也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。如电镀件的去氢都在200～240度的温度下，加热2～4小时可将绝大部分氢去除。

氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300℃和压力高于30MPa时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高温条件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置；石油化工生产过程中的甲醇合成塔等。

二：氢脆-钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。主要发生在碳钢和低合金钢中。

一种螺栓氢脆失效倾向（HES）的试验方法

相信大多数紧固件制造厂商都有高强度螺栓因后氢脆失效的经验，减少和消除螺栓的氢脆一般靠严格的工艺控制，镀后还要通过对件长时间的烘烤(烘烤的时间是否足够主要取决于螺栓的机械性能级别、镀层类别厚度)，使产品游离状的氢得以释放，减轻对产品的影响。

由于电镀工艺中各种参数(例如酸洗浓度、电镀液、电流大小、温度、时间等)，都可能引起产品渗氢量的变化，而大多数生产厂家电镀后烘烤时间根据螺栓的机工性能是固定的，虽然可以避免和减少氢脆现象的发生，但是由于各种参数的变化和不能即时测试氢的含量，以及考虑经济性、效率的同时又不能无限制的增加烘烤时间，所以虽然经过烘烤，却不能完全排除产品的氢脆失效的可能。电镀除氢后测试氢脆倾向试验是有必要的，为此国标上提出

多种关于氢脆倾向的试验办法，我们国家标准根据ISO15330制定了GB/T3098.17~2000标准，提出了检查氢脆用预载荷试验~平行支承面法。

螺栓的氢脆倾向的测试并不是一种强制性验收项目，它只是一种对螺栓氢脆倾向的评估，如果螺栓出现裂纹或断裂，那么该产品既有可能出现氢脆失效的可能。鉴于高强度螺栓大多为重要的保安件，用户往往提出很高的要求，实际的装配条件可能出入较大，为了给用户提供可靠的产品，减少氢脆失效风险，特推荐另外一种测试方法(ASTMF606M)，供同行参考。

1.试验夹具(试验夹具见图1)；

试验夹具由淬火垫片和垫板，及淬火楔型垫组成。

淬火垫片：(ASTM F436M)

垫片的材料可选择碳钢，硬度HRC38—45；尺寸见图2和表1：其它要求请参见ASTM F436M《淬火钢垫钢圈(公制)》

楔型垫：