延遲斷裂原因分析及預(yù)防措施.ppt

1、延遲斷裂(氫脆化）原因分析及預(yù)防措施,氫脆現(xiàn)象 氫脆原理 裂紋形貌 氫脆失效的根本原因及共同特性 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,1 氫脆現(xiàn)象,氫脆通常表現(xiàn)為應(yīng)力作用下的延遲斷裂現(xiàn)象,在熱處理、清洗、磷化處理、電鍍、自身催化過程中，以及在服役環(huán)境中，由于陰極保護(hù)的反作用或腐蝕的反作用，氫離子都可能進(jìn)入基體。在加工過程中，氫離子也可能進(jìn)入，如輾制螺紋、機(jī)加工和鉆削中因不適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑而燒焦，還有焊接工序，零件經(jīng)機(jī)械加工、磨削、冷鐓成型或冷拔后，尤其再進(jìn)行淬硬熱處理，則極易受氫脆破壞。-氫脆的潛在傾向與產(chǎn)品表面處理及鋼材內(nèi)碳含量以及產(chǎn)品的硬度有關(guān),且成正比。當(dāng)產(chǎn)品脆性增加和表面處理（電鍍電解化學(xué)反應(yīng)

2、）是造成氫脆化的主要因素。,2 氫脆原理,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(kuò)散聚集,應(yīng)力集中部位的金屬缺陷較多(原子點(diǎn)陣錯(cuò)位、空穴等)。氫擴(kuò)散到這些缺陷處,氫離子合成氫原子，氫原子合成氫分子,產(chǎn)生巨大的壓力,這個(gè)壓力與材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力及材料所承受的外加應(yīng)力,組成一個(gè)合力,當(dāng)這合力超過材料的屈服強(qiáng)度,就會(huì)導(dǎo)致斷裂發(fā)生。氫脆化既然與氫的擴(kuò)散有關(guān),擴(kuò)散是需要時(shí)間的,擴(kuò)散的速度與氫濃度、溫度和材料的種類有關(guān)。因此,氫脆化通常表現(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(kuò)散,而在鎘、錫、鋅及其合金中氫的擴(kuò)散比較困難。,2 氫脆原理,鍍鎘層是最難擴(kuò)散的,鍍鎘時(shí)產(chǎn)生的

3、氫,最初停留在鍍層中和鍍層下的金屬表層,很難向外擴(kuò)散,去氫特別困難。經(jīng)過一段時(shí)間后,氫擴(kuò)散到金屬內(nèi)部,特別是進(jìn)入金屬內(nèi)部缺陷處的氫,就很難擴(kuò)散出來。常溫下氫的擴(kuò)散速度相當(dāng)緩慢,所以需要即時(shí)加熱去氫。溫度升高,增加氫在鋼中的溶解度,過高的溫度會(huì)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,不得破壞鍍層本身的性能。,3 裂紋形貌,氫脆斷口與其它脆性斷口很相似,很容易混淆,因此在進(jìn)行失效分析時(shí)應(yīng)慎重對(duì)待斷口失效模式。氫脆裂紋通常是單一裂紋,沒有明顯的分叉。裂紋可以是穿晶的,也可以是沿晶的,還可以是混合的。高強(qiáng)度材料和有雜質(zhì)的材料出現(xiàn)沿

4、晶斷口的可能性大,這時(shí)的晶界面相對(duì)應(yīng)力腐蝕斷口來看比較干凈光潔。在延展性不太好的合金中,斷口失效模式大多呈現(xiàn)冰糖塊狀，有較多的沿晶微裂紋（晶面上有爪狀紋）+二次裂紋+少量韌窩。在延展性好的低強(qiáng)度鋼中,斷口失效模式可能是韌窩,隨著延展性下降,韌窩尺寸變小。,3 裂紋形貌,低碳鋼的氫致沿晶斷口很獨(dú)特。材料變形時(shí)空洞首先在FeC3上形核,但優(yōu)先沿晶界擴(kuò)展,這樣就獲得了所謂的“韌性沿晶斷口”,即斷口是沿晶的,但晶界面是由韌窩構(gòu)成;或在沿晶小刻面上出現(xiàn)細(xì)小的、發(fā)育不完整的韌窩,即所謂“雞爪痕”。有人認(rèn)為這可能是氫氣或甲烷氣在晶界處形核的結(jié)果,也可能是氫增強(qiáng)局部塑性流變的結(jié)果。還有一種情況就是沿晶與撕裂棱

5、上的韌窩共存,這也是氫脆斷口的特征之一。,3 裂紋形貌,氫脆斷口在金相顯微鏡下呈現(xiàn)白點(diǎn)，呈銀白色，輪廓分明，表面光亮且形狀有許多圓形、卵形白斑即白點(diǎn)缺陷，白點(diǎn)表面呈粗晶狀；宏觀形貌與一般的脆性斷口形態(tài)相似，其斷口宏觀上是齊平的，無塑性變形，有時(shí)可見到一些反光的小刻面、結(jié)晶狀顆粒或放射狀花樣（類似發(fā)紋、瓜狀紋、雞瓜紋）。,4 氫脆失效的根本原因及共同特性,所有的失效都是在組裝之后發(fā)生，通常是在產(chǎn)品組裝后1至48小時(shí)內(nèi)發(fā)生，但沒有一定的準(zhǔn)確時(shí)間，氫脆通常表現(xiàn)為應(yīng)力作用下的延遲斷裂現(xiàn)象。判斷是否為氫脆，有一個(gè)較簡(jiǎn)單的方法，那就是如果螺絲或螺栓在組裝后1到48小時(shí)內(nèi)破壞，且破壞在頭部與桿部或螺紋與桿的

6、交接位置那大概就是氫脆破壞。若是從組織上觀察，氫脆斷面為一種晶界破裂，氫脆的斷裂性質(zhì)為脆性斷裂。其斷口宏觀上是齊平的，無塑性變形。斷裂的顯微特征是沿晶型的也可以是穿晶型的。對(duì)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；,4 氫脆失效的根本原因及共同特性,所有失效的零件都有電鍍，零件的氫來自電鍍過程中所用的酸液及無效電鍍電解過程中的氫離子； 所有的失效都呈現(xiàn)顆粒間的破壞特征，這意味著材料的晶界未經(jīng)拉伸而突然破壞，破壞的表面看來像是斷裂的結(jié)晶場(chǎng)（這里需注意：所有的氫脆化破壞都是在顆粒之間，但并非所有顆粒之間的破壞都是氫脆化造成的，產(chǎn)品組裝之后經(jīng)過數(shù)天、數(shù)周、數(shù)個(gè)月才發(fā)生顆粒之間的

7、破壞，比較像是應(yīng)力腐蝕而不是氫脆化，這意味著在產(chǎn)品運(yùn)作環(huán)境中有某些外界因素與扣件發(fā)生作用而發(fā)生失效。,4 氫脆失效的根本原因及共同特性,所有的零件都經(jīng)全面硬化（如：調(diào)質(zhì)）或表面硬化（如：滲碳或碳氮共滲）； 所有失效零件的心部硬度基本都超過了HRC35，甚至接近了HRC40（注意：螺絲和螺栓氫脆化基本都是與心部硬度有關(guān)，與表面硬度較無關(guān)。），故限制螺絲螺栓的心部硬度不高于HRC35，確保心部組織的韌性和延展性，將大大降低氫脆化機(jī)會(huì)發(fā)生；,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,1依機(jī)械性質(zhì)要求正確選擇用料（注：所用材料最好指定鋼廠如中鋼、寶鋼、邢鋼等）； 根據(jù)影響高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂的因素，鋼材選擇

8、最好有能使延遲斷裂性能提高的元素。如添加有適量的Ti、V和Nb等細(xì)化晶粒元素，使奧氏體晶粒不長(zhǎng)大；對(duì)延遲斷裂惡化的P、S降低鋼中的含量，減少晶界偏析；提高M(jìn)o的含量以提高鋼的回火軟化抵抗性能。 鋼材化學(xué)成分的調(diào)整，碳鋼中主要的元素有C、Si和Mn。增加Si和Mn的含量可提高硬度，但硬度提高對(duì)塑性指標(biāo)斷面收縮率的數(shù)值有負(fù)面影響，在中碳鋼中加入少量的Cr可以改善其塑性，提高斷面收縮率值。Si 和Mn是固溶強(qiáng)化鐵素體而提高硬度的元素，而Cr是細(xì)化晶粒增加淬透性的元素。,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,由于任何一種鋼都要淬火高溫回火（調(diào)質(zhì)）處理作為鋼種的前提來考慮，根據(jù)高強(qiáng)度螺栓性能等級(jí)，環(huán)境條

9、件等，要完全避免發(fā)生延遲斷裂是困難的。因此，選擇鋼種時(shí)對(duì)其使用條件必須十分注意。推薦鋼種如下：8.8級(jí)螺栓選用SWRCH35R、CH35ACR 、ML20MnTiB、10B21鋼；10.9級(jí)選用SCM435、ML20MnTiB、10B33鋼； 12.9級(jí)選用42CrMo、25Cr2MoVA鋼。對(duì)于10.9級(jí)以上螺栓需要用合金鋼，其中CrMo和CrMoV兩類鋼更能滿足在復(fù)雜條件下使用。,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,2冷鐓過程中首下R角在符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下盡可能控制在上限，并檢查頭部金屬流線是否正常，應(yīng)力集中部位是否存在斷線或裂隙； 螺栓頭部是應(yīng)力集中部位。典型螺栓的頭部為六角形的冷鐓變形

10、可達(dá)6080，不允許有任何折疊，尤其是冷鐓復(fù)雜形狀的凸緣類螺栓。但由于冷鍛成型，操作工人的技術(shù)水平，模具尺寸和質(zhì)量等因素的影響，造成螺栓頭部和桿部結(jié)合處的晶粒破碎或金屬纖維斷裂。此處組織很不均勻，并形成一個(gè)脆性斷裂危險(xiǎn)區(qū)域，造成應(yīng)力集中。不完全螺紋形狀的螺栓，應(yīng)在允許的范圍內(nèi)，做到形狀盡可能緩和應(yīng)力集中。在冷鐓調(diào)整時(shí)，不應(yīng)忽視模具間隙以及模具誤差合理分配螺栓頭部的鐓段變形量，增大頭桿結(jié)合處的過渡圓角，使其內(nèi)部組織達(dá)到合理狀態(tài)。,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,良好的金屬流線 金屬的纖維組織沿扎制方向流動(dòng)，這種因碳化物等脆性粒子在冷鐓和冷擠加工時(shí)被細(xì)化、晶粒沿塑性變形方向變細(xì)變長(zhǎng)，這種纖維

11、組織在塑性加工后，由變形產(chǎn)生纖維流線，螺栓冷鐓成型時(shí)，特別是在頭桿連接處，如果冷鐓質(zhì)量差，頭部纖維塑性流線就會(huì)以散、 亂、斷形態(tài)成現(xiàn)，這將導(dǎo)致延遲鍛裂的發(fā)生。,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,3. 防止螺栓表面的增碳 脫碳通常有利于延遲破壞性能的提高，但是必須充分考慮疲勞強(qiáng)度的下降，并且不至于產(chǎn)生脫扣、滑牙。對(duì)原材料的預(yù)先退火工序必須嚴(yán)格注意脫碳和增碳，而在最終調(diào)質(zhì)淬火時(shí)對(duì)于螺紋表面增碳是不允許的。 冷拔前對(duì)盤條需要經(jīng)過軟化退火或球化退火，為了防止脫碳往往使用保護(hù)氣氛或爐中放置木炭。如果爐中氣氛控制不當(dāng)或者發(fā)生特殊情況時(shí)，會(huì)在原材料表面造成增碳，由于螺紋處表面增碳，會(huì)使強(qiáng)度增加而塑性下降

12、，導(dǎo)致延遲斷裂。,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,4.防止?jié)B磷 拉拔是生產(chǎn)高強(qiáng)度螺栓的第一道工序，但在拉拔前，盤條須經(jīng)過磷化鋅薄膜處理，增加光潔度，冷鐓、調(diào)質(zhì)淬火處理制成螺栓，會(huì)有磷滲入表面層里。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓，可在熱處理前用金屬清洗劑和酸洗洗凈磷化膜，達(dá)到防止?jié)B磷的目地。要注意的是鋼滲磷后，鋼的臨界點(diǎn)A1上升，表面出現(xiàn)較多鐵素體，也影響后序發(fā)黑和氧化著色表面處理。,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,5輾牙后檢查牙底徑是否符合標(biāo)準(zhǔn)，牙紋金相是否正常，分析螺紋上是否存在折疊； 6熱處理過程中在保證機(jī)械性能和破斷扭矩的前提下，盡可能提高回火溫度和一定的回火時(shí)間，來消除產(chǎn)品組織的內(nèi)應(yīng)力，確

13、保產(chǎn)品組織的韌性和延展性，盡可能使淬火后組織再經(jīng)回火后能夠完全轉(zhuǎn)變及細(xì)化，并應(yīng)預(yù)先防止奧氏體晶粒粗大，淬火溫度的控制顯得特別重要，應(yīng)增加退火軟化工序和減少拉拔量。奧氏體晶粗大會(huì)造成脆性增加，以至延遲斷裂發(fā)生。,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,7應(yīng)避免螺絲或螺栓在熱處理后再輾制螺紋，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生； 8熱處理后可做頭部堅(jiān)固性測(cè)試或彎曲度試驗(yàn)來確認(rèn)熱處理后產(chǎn)品的韌性如何； 9緊固件電鍍前除銹和氧化皮時(shí)應(yīng)采用噴砂或噴丸等處理方法達(dá)到凈化、活化表面目的。若必須進(jìn)行酸洗活化處理時(shí)，選用鹽酸較好（HCL的濃度最好控制在10%以內(nèi)）。注意掌握酸洗時(shí)間不宜過長(zhǎng)（每次控制60s以內(nèi)），以多次短時(shí)間比長(zhǎng)時(shí)

14、間酸洗效果好；在除油時(shí),采用化學(xué)除油、清洗劑或溶劑除油,滲氫量較少；,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,10在電鍍過程中,盡可能采用堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少；并應(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(duì)析氫較少，產(chǎn)生氫脆的可能性也??；而氰化物鍍鋅電解液析氫、滲氫較多，產(chǎn)生氫脆的機(jī)率也較大。 11電鍍過程中在能確保鹽霧試驗(yàn)的條件下，盡可能減少鍍層厚度（增加鍍層厚度，則增加氫釋放的難度。），鍍層厚度最好控制在8以下，盡可能提高電流效率，減少電鍍時(shí)間。 12. 螺栓在室外使用時(shí)，應(yīng)避免潮濕空氣，雨水的接觸，涂上適當(dāng)?shù)挠推崾怯幸娴?，可避免產(chǎn)生延遲斷裂。,5 為防止延

15、遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,13電鍍除氫時(shí)需注意： 零件應(yīng)烘干4h或以上，并最好是在電鍍后1h、鉻酸鹽鈍化處理之前入除氫爐； 除氫溫度最好控制在190230，最高溫度應(yīng)考慮鍍層材料和基體材料的種類； 電鍍工序完成后檢查氫脆預(yù)載荷測(cè)試最好控制在24h以內(nèi)； 要求電鍍廠送貨時(shí)提供每批之除氫記錄（除氫記錄中的批號(hào)和數(shù)量應(yīng)與送貨單保持一致）；除氫記錄應(yīng)與氫脆化試驗(yàn)報(bào)告一起存放，易于追溯； 可派人進(jìn)行專案追蹤（注要控制點(diǎn)：前處理是否噴砂除污還是酸洗除污；除氫時(shí)間及溫度是否合理，鍍鋅后除氫入爐時(shí)間是否及時(shí)；監(jiān)控除氫爐溫控儀表是否定期校準(zhǔn)，熱電偶是否定期更換，溫度的均勻性和準(zhǔn)確性是否可以定期檢查。）,5 為防止延遲斷裂質(zhì)量事故之預(yù)防措施,14新產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)分析時(shí)應(yīng)考慮或建議無氫脆產(chǎn)生之表面處理，如機(jī)械鍍鋅、達(dá)克銹等表面處理工藝