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對(duì)氫脆的機(jī)理、氫脆的斷口形貌、氫脆的表觀形式、影響氫脆的因素、氫脆的預(yù)防以及氫 脆的檢查分別進(jìn)行了介紹，并通過對(duì)汽車生產(chǎn)中典型氫致斷裂案例的分析和研究，對(duì)氫脆斷口形貌提出了判定依據(jù):脆性斷口、沿晶斷裂、顯微氣孔、二次裂紋、發(fā)線花紋。并依據(jù)氫脆發(fā)生的機(jī)理和主要影響因素，強(qiáng)調(diào)對(duì)于高強(qiáng)度零件及時(shí)有效地進(jìn)行去氫處理的重要性。
21世紀(jì)的汽車工業(yè)技術(shù)高速發(fā)展，在汽車安全 項(xiàng)、法規(guī)項(xiàng)的總成零部件中，高強(qiáng)度零部件被大量 使用，如高強(qiáng)度級(jí)別的螺栓和彈簧墊片、墊圈等。由 于這些零件常用在使用條件比較嚴(yán)格和苛刻的部位,因而在常見易發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量事故中，零件氫致斷 裂問題正在日益引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。
高強(qiáng)度零件在負(fù)載工作時(shí)，如果金屬內(nèi)部存在 氫致?lián)p傷的情況，在經(jīng)過一段時(shí)間后零件發(fā)生斷裂'的現(xiàn)象稱為氫致斷裂(也稱為氫脆），它是一種延遲斷裂破壞。由于氫脆沒有任何先兆，一旦突然發(fā)生斷裂，將對(duì)整車性能和行駛安全帶來極大的危害。
除非氫脆現(xiàn)象特別嚴(yán)重，氫致斷裂大都需要經(jīng)過一定的孕育期。對(duì)于汽車主機(jī)廠來說，一旦在主機(jī)廠以外的整車上有零件發(fā)生氫脆，就意味著這是一個(gè)系統(tǒng)性、批量性的質(zhì)量事故，涉及面較廣，召回 和返修的成本也都較高。對(duì)于供應(yīng)商來說，則面臨著零部件大批量的更換和主機(jī)廠的索賠。因此，對(duì) 汽車零部件的氫脆進(jìn)行分析并提出切實(shí)可行的預(yù)防 措施意義重大。需要強(qiáng)調(diào)的是，該文并不對(duì)原材料 冶煉中產(chǎn)生的氫致?lián)p傷缺陷進(jìn)行分析。
1 氫脆機(jī)理
1.1 滲氫途徑
滲氫的主要途徑有兩個(gè)
(1)由表面前處理中的酸洗工藝導(dǎo)致的滲氫， 它主要通過兩個(gè)環(huán)節(jié)引人氫。一是鋼與酸洗液之間 發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：
其中，一部分氫以氫原子形式進(jìn)人到鋼材內(nèi)部，另一 部分以氫分子的氣體形式逸出。二是酸洗液發(fā)生如下電離反應(yīng)：
H+以自由離子狀態(tài)進(jìn)人到金屬內(nèi)部，然后擴(kuò)散到金屬的晶格中。
(2)由電鍍工藝導(dǎo)致的滲氫。對(duì)汽車零件進(jìn)行 電鍍時(shí)，鍍件陰極有氫離子還原為氫原子的反應(yīng)：
這個(gè)反應(yīng)造成析氫，部分氫會(huì)以原子狀態(tài)滲人到金屬內(nèi)部。
1.2形成機(jī)理[1]
金屬中的位錯(cuò)、晶界、夾雜物與基體的相界面、 氣孔等缺陷處都是氫原子容易偏聚的地方。此外，在缺口根部、微裂紋尖端處這些局部應(yīng)力集中較高 的區(qū)域，一旦零件開始負(fù)載，氫原子便向這些區(qū)域擴(kuò) 散、集中，發(fā)生局部氫濃度富集和偏聚，形成新的氫氣團(tuán)。
當(dāng)材料變形的應(yīng)變速率較低時(shí)，氫氣團(tuán)帶著位 錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)落后于氫氣團(tuán)，氫氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起“釘扎效應(yīng)”，使位錯(cuò)不能自由運(yùn)動(dòng)，引起材料的局部 硬化。在外力的持續(xù)作用下，材料變形的應(yīng)變速率 加快，不斷生成新位錯(cuò)，這些新位錯(cuò)又形成新的氫氣 團(tuán)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)中的位錯(cuò)和氫氣團(tuán)遇到障礙時(shí)，則產(chǎn)生位錯(cuò)的疊加、塞積和氫氣團(tuán)的聚集。當(dāng)應(yīng)力大于材料 強(qiáng)度的臨界值時(shí)，在局部硬化區(qū)和位錯(cuò)的塞積端部 就會(huì)形成微裂紋尖端，從而在此處又產(chǎn)生了新的應(yīng) 力集中、新的氫富集、新的位錯(cuò)與氫氣團(tuán)、新的位錯(cuò)被釘扎，如此循環(huán)反復(fù)，導(dǎo)致裂紋不斷的形成和擴(kuò) 展，直至零件脆斷。
需要特別指出的是，當(dāng)材料變形的應(yīng)變速率較 高大于某一臨界值時(shí),氫氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)跟不上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 氫氣團(tuán)落后于位錯(cuò)，位錯(cuò)反過來對(duì)氫氣團(tuán)起“釘扎效 應(yīng)”，這時(shí)零件不會(huì)發(fā)生氫脆，只會(huì)發(fā)生一般性的機(jī) 械斷裂。換句話說，氫脆的爆發(fā)是有一個(gè)應(yīng)力區(qū)間 的，超過其上限應(yīng)力或低于其下限應(yīng)力時(shí)，均不會(huì)發(fā) 生氫脆[1]。
2 氫脆的斷口特征
2. 1宏觀形貌
氫脆斷口宏觀形貌的主要特征有:①斷口具有 脆性斷裂特征，無宏觀塑性變形，斷口平齊，有時(shí)伴有放射狀花樣;②斷面干凈、新鮮，但是比較粗糙，氫脆斷裂區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀，色澤較明亮，非氫脆斷裂 區(qū)呈暗灰色纖維狀，并伴有不明顯的剪切唇邊；③傾斜斷口并對(duì)著光線慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，斷口上呈現(xiàn)閃閃反 光的小平面。這些小平面是無序多晶體沿晶粒內(nèi)部某些特定的晶體學(xué)平面劈裂后，光線照在這些晶面 后，晶面對(duì)光線的反射所造成的。
2.2微觀形貌
由于受力加載前并不存在裂紋源，即裂紋源的 萌生與持續(xù)應(yīng)力有關(guān)。通常情況下，裂紋源不是在零件表面生成，而是在次表層的微裂紋尖端三向應(yīng) 力區(qū)域起源、成核和擴(kuò)展。因而氫脆斷口微觀形貌 的主要特征有：①以沿晶脆性斷裂為主，少有穿晶 或是二者混合的方式[2]，斷裂區(qū)典型斷口為沿晶界發(fā)生的沿晶脆性斷裂，晶粒晶界輪廓鮮明，斷口的晶 面平坦，沒有附著物，有時(shí)可見白亮的、不規(guī)則的細(xì) 亮條，這種線條是晶界最后斷裂位置的反映，并存在大量的雞爪形撕裂棱，非延遲斷裂區(qū)則多為韌窩撕裂形貌;②顯微裂紋呈斷續(xù)而曲折的鋸齒狀，裂紋一般不分叉;③高倍掃描電鏡下可見在晶界周圍伴 有顯微氣孔、二次裂紋、發(fā)線花紋或雞爪狀花紋。
3氫脆的表現(xiàn)形式
氫脆的主要表現(xiàn)形式有:①在斷裂瞬間，零件 受到的是一持續(xù)的靜應(yīng)力，這個(gè)“靜應(yīng)力”是一個(gè)低應(yīng)力，它遠(yuǎn)低于材料的屈服極限應(yīng)力；②在時(shí)間上 表現(xiàn)為延遲斷裂，需要經(jīng)過一段時(shí)間的孕育期，零件 才會(huì)以發(fā)生靜態(tài)脆性斷裂的形式表現(xiàn)出來;③在零 件數(shù)量上表現(xiàn)為數(shù)目多、批次性的斷裂，絕非個(gè)別、偶然的現(xiàn)象;④室溫條件下氫脆敏感性最大[3]。
光成鉚釘規(guī)格：開口型抽芯鉚釘，封閉型抽芯鉚釘，內(nèi)鎖型拉絲鉚釘，外鎖型拉絲鉚釘，單鼓型抽芯鉚釘，雙鼓型抽芯鉚釘，防水型燈籠鉚釘，海馬鉚釘，氣動(dòng)鉚槍及相關(guān)緊固件。
4影響氫脆的因素
影響氫脆的因素主要有:
①與材料強(qiáng)度級(jí)別相 關(guān)，即材料的屈服強(qiáng)度?越高，其氫脆傾向越嚴(yán)重；
②零件的顯微組織狀態(tài)對(duì)氫脆敏感性有很大影響， 具體表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度和硬度越高，其氫脆敏感性 越高，熱力學(xué)不穩(wěn)定組織的氫脆敏感性較大，如淬火 馬氏體比回火馬氏體對(duì)氫脆更敏感；
③與鍍層金屬的吸氫程度有關(guān)，如鍍鉻層的吸氫能力較大，高強(qiáng) 度的零件應(yīng)防止鍍鉻，鍍鋅層的鐵族元素吸氫程度 次之;
④與零件表面處理工藝有關(guān)，以螺栓為例，8. 8級(jí)螺栓鍍鋅一般不會(huì)發(fā)生氫脆，10. 9級(jí)螺栓不 宜做鍍鋅處理，10. 9和12. 9級(jí)的螺栓多采用達(dá)克 羅工藝處理，10. 9和12. 9級(jí)的螺栓在磷化處理后 必須進(jìn)行去氫處理;
⑤受氫致?lián)p傷越嚴(yán)重，零件的氫脆傾向就越嚴(yán)重，斷裂的孕育期通常也較短。
5氫脆的預(yù)防
對(duì)于10.9級(jí)及以上的外螺紋緊固件、表面淬硬 的自攻螺釘以及帶有淬硬鋼制墊圈的組合螺釘?shù)攘?nbsp;件，在電鍍鋅后必須進(jìn)行去氫處理。具體工藝如下: 將鍍件放在烘箱或回火爐中，在200?230°C下保溫 3?12h或更長(zhǎng)時(shí)間，在熱力學(xué)作用下，使氫有足夠 長(zhǎng)的時(shí)間從晶格中逸出。注意事項(xiàng)有：去氫處理一 定要及時(shí)，且要在鈍化工藝前進(jìn)行;在烘箱或回火爐中，零件應(yīng)盡量避免堆放在一起，宜采用平放、層層 鋪開的方式。
6氫脆的檢查
以螺栓為例，螺紋緊固件可采用旋緊的辦法，在 專用夾具上，旋到使螺桿承受相應(yīng)的工藝裝配扭矩時(shí)，保持48 h，松開后螺紋緊固件不產(chǎn)生斷裂即可。
7典型的氫脆案例
7.1 8.8級(jí)螺栓的氫脆
螺栓材料為ML35鋼，工藝情況為淬火、回火 以及電鍍鋅表面處理;斷口微觀形貌為沿晶+顯微氣孔+發(fā)線花紋，顯微組織為屈氏體;硬度要求值為253?319 HV，實(shí)測(cè)硬度值為451,453和457HV。
一般認(rèn)為，8.8級(jí)螺栓電鍍鋅后不會(huì)發(fā)生氫脆， 不必進(jìn)行去氫處理。但由于該螺栓的實(shí)際強(qiáng)度值遠(yuǎn) 遠(yuǎn)高于8.8級(jí)螺栓強(qiáng)度值的上限,導(dǎo)致其在安裝緊 固一段時(shí)間后發(fā)生氫脆斷裂。
7.2機(jī)油標(biāo)尺的氫脆
機(jī)油標(biāo)尺材料為65Mn鋼，工藝情況為淬火、回 火以及電鍍鋅表面處理;斷口微觀形貌為沿晶+顯微氣孔+發(fā)線花紋+氫氣泡，顯微組織為回火屈氏 體;硬度要求值為40?45HRC，實(shí)測(cè)硬度值為42， 43和43 HRC。
雖然該零件符合定義的技術(shù)要求，但由于去氫不徹底，盡管機(jī)油標(biāo)尺在機(jī)油管內(nèi)呈小角度彎曲受力狀態(tài)，但還是發(fā)生了氫脆。
7.3自攻螺釘?shù)臍浯?
自攻螺釘材料為10B21鋼，工藝情況為淬火、回火、滲碳以及電鍍鋅處理;斷口微觀形貌表層為沿晶+二次裂紋+顯微氣孔+發(fā)線花紋，心部為韌窩,顯微組織為馬氏體+索氏體+少量鐵素體;表面硬 度要求值>600 HV，實(shí)測(cè)表面硬度值為690,692和695HV，心部硬度要求值為280?390HV,實(shí)測(cè)心 部硬度值為284,286和292 HV。
由于去氫不徹底和滲碳層氫脆敏感性較高，導(dǎo) 致攻人鋼板的自攻螺釘發(fā)生了氫致開裂。
7.4 10. 9級(jí)螺栓墊片的氫脆
墊片材料為65Mn鋼，工藝情況為淬火、回火以 及達(dá)克羅表面處理;斷口微觀形貌為沿晶+二次裂 紋十顯微氣孔+發(fā)線花紋，顯微組織為回火屈氏體?’ 硬度要求值為40?45HRC;實(shí)測(cè)硬度值為42，43和43HRC。
由于生產(chǎn)廠家未嚴(yán)格執(zhí)行達(dá)克羅生產(chǎn)工藝，用 酸洗代替了噴丸清洗，導(dǎo)致高強(qiáng)度墊片氫致斷裂。
8 結(jié)語
依據(jù)斷口形貌是否具有脆性斷口、沿晶斷裂、顯 微氣孔、二次裂紋和發(fā)線花紋等特征可以判斷汽車零部件是否發(fā)生了氫脆，由上述氫脆機(jī)理和主要影 響因素可知，對(duì)高強(qiáng)度汽車零部件必須進(jìn)行及時(shí)有 效的去氫處理。
光成鉚釘20年專注不銹鋼抽芯鉚釘的研發(fā)與制造，并且嚴(yán)格執(zhí)行ISO/TS16949:2009汽車質(zhì)量管理認(rèn)證體系，榮獲國(guó)家8項(xiàng)專利證書，同時(shí)可按照德標(biāo)DIN，美標(biāo)IFI，國(guó)標(biāo)GB，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO生產(chǎn)各種不銹鋼拉釘，可按客戶要求定制。歡迎各位客戶前來選購(gòu)！
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