高强度紧固件氢脆检测评估方法研究
2024-02-20 13:08:13 作者:陈娟,蒋忠伦,骆书明,袁小明 来源:腐蚀与防护 分享至:

随着重工业的发展,高强度紧固件的应用范围越来越广泛,高强度紧固件不仅能有效减少装配位置,还能减轻生产主体的整体重量,有着不可取代的地位,但高强度紧固件产生氢脆是不容忽视的重要问题,氢脆断裂具有不可预估性与延迟性,因此对高强度紧固件进行检验评估,是减少氢脆风险影响的方法之一。  


氢脆的特征及开裂原理


1 氢脆的特征及分类


由于氢脆断裂的延迟性和隐蔽性,事先难以通过常规检查发现螺栓是否会发生氢脆断裂,所以其危害性比较大。氢脆主要可以分为两类,一类是材料在进行加工前内部已经存在开裂,经过加工后受到外力影响而加速开裂,常见的第一类氢脆有氢腐蚀、氢鼓泡等,此类氢脆的产生是不可逆的,无法通过去除氢来修复材料。第二类氢脆是在进行加工前并不存在开裂现象,但加工后受到外力的作用下而逐渐形成裂纹,此类氢脆一般具有可逆性,可以通过除氢来修复材料。


氢脆是指溶于钢中的氢聚合产生应力,导致钢内部形成裂纹的延时断裂现象,具有应力腐蚀特征,在室温下敏感性最高,且敏感性随着应变速率的增加而降低,氢脆裂纹的产生一般产生在金属内部,呈不连续性。 


2 氢脆的开裂原理


氢脆的开裂主要是由于氢进入金属内部引发的腐蚀性断裂,最典型的氢脆断裂理论有弱键理论、氢降低表面理论、氢压理论、氢促变形理论等,在螺栓中,氢通过扩散汇聚到螺栓的冶金缺陷处,如气孔、夹杂、微裂纹等,并结合成氢分子,对于不同的材料及检测手段,可以用不同的开裂原理进行解释。 


高强度紧固件氢脆检测方法 


氢脆具有极大的危害性,对氢脆风险进行检测评估,能够有效预防及避免氢脆带来的危害,氢脆的检测方法主要分为两类,一类是测定金属中氢的含量,判断氢脆风险;另一类是运用力学进行检测,如平行面支撑法、弯曲试验、应力持久法等。


1 氢含量测试法


此类方法主要是测定金属中氢的含量,通过控制生产过程中的氢含量来控制氢脆的产生,一般有物理检测法、电化学检测法、气泡法以及惰性气体熔融热导池检测法等。 


(1) 物理检测法:使用仪器对金属内氢进行探测,检测依据国内外发布的通用标准进行判定。 


(2) 电化学法:通过仪器测定氢在电解质溶液中阳极中电流情况,来判定氢脆风险。 


(3) 气泡法:将装有凡士林的烧杯进行加热,沸腾后维持5~6 min以完全去除水分,再将金属零件置于其中,若在10 s内有起泡出现,则证明零件含有氢,但无法确定氢的含量。 


(4) 惰性气体熔融热导池检测法:一个小型的、一次使用的石墨坩埚中的金属试验在一个流动的载气气氛中被熔化。试样中出现的氢以氢气分子的形式进入流动的气流中。氢气从其它分解出的气体(如一氧化碳)中分离出来,并最终在热导池检测器中测得其含量。 


(5) 应力持久法:基于氢脆的基本原理,存在氢脆倾向的高强度钢及其制品,在小于正常拉断力的持续作用下,会发生氢脆断裂。


2 力学检测法


(1) 平行面支撑法:试验应在相适应的夹具上进行,试验夹具的硬度应该大于 45 HRC,取螺栓或螺钉按照图1~4所示进行装夹,紧固件承受的应力应在其屈服点以内或者在破坏扭矩范围内,将试验配件夹好后保持载荷不变持续48小时,并进行检测,每隔一天扭动夹具回到初始应力处,并检测金属配件是否受到破坏。

(2) 缺口圆棒拉伸试验:缺口圆棒拉伸试验是最常用的判断方法,是指对试样缺口进行75%拉伸后保持200小时后无断裂则无氢脆风险,若无断裂则不断加重载荷,直至90%的最小抗拉强度。氢脆风险随着慢应变速率增加而减小。


(3) 弯曲试验:对不同试样设置不同弯曲角度,不同材料在不同角度时氢脆敏感性也不同,一般来说,角度越小则敏感性越高。 


(4) 逐级加力法:此种方法是测定临界值的方法,通过降低加力的速率来增加裂纹的产生,以此来判定氢脆产生的临界值。 


(5) 应力持久法:此方法是对试样施加持续一定时间的应力,是氢脆检测的传统方法。


氢脆检测流程及设备


1 氢脆试样准备


进行氢脆试验前,要准备好进行试验的螺栓或螺钉,且保证所有螺栓或螺钉是出自同一制造厂使用相同材料制造的,进行实验前,将螺栓或螺钉处于常温下保存,减少外界环境对试验的影响,将螺栓或螺钉浸入酸性液体中进行渗氢处理。 


2 氢脆的检测


螺栓、螺钉氢脆的检测一般使用平行支撑面法、应力持久法进行测定。将螺栓或螺钉置入试验夹具中,不同形态的螺栓或螺钉要使用不同的夹具装夹,高强度紧固件承受应力应该在其屈服点以内或破坏扭矩的范围内。保持施加的应力48小时以上,每间隔24小时,可以将试验夹具调回初始应力,观察是否产生氢脆,通过应力-时间图来判定氢脆的临界值。 


3 氢脆的风险评估


对存在氢脆风险的高强度紧固件,采用慢应变拉伸检测其拉伸强度,分析断裂的情况。对氢脆的风险评估可以使用应力持久结合金相法评估法、疲劳试验评估法。当氢含量增加到一定量时,慢应变拉伸对配件的拉伸强度、断裂尺寸等会产生较明显的影响。进行评估时要控制好拉伸速率,并对断口进行特征分析,使用慢应变拉伸可以快速判断氢脆是否存在风险。 


4 常用检测设备


进行氢脆检测,一般可以使用电子显微镜、高频疲劳试验机、应力持久试验机、定氢仪,电子显微镜能够直接观察到高强度紧固件的表面结构及组织架构,高频疲劳试验机可以绘制变化曲线,以确定氢脆发生的临界值,应力持久试验机可以通过改变应力来改变测试条件,定氢仪可以测量紧固件或材料中的氢含量,以此来进行氢脆风险的测定。


结语


本文通过分析氢脆产生的原理及断裂的原理, 总结了氢脆检测的常用方法,但使用这些方法进行检测并不能有效降低氢脆的发生率,因此,应当将多种方法结合起来进行检测。针对不同应用场所及不同材料的高强度紧固件,应使用不同的检验方法进行判断。


进行检测前,要做好试样准备,选取相同材料的试样,并妥善保存以备试验,进行试验时,首先要确定紧固件氢脆的临界值,随后进行检测评估。综合检测氢脆的方法,可知氢脆发生需要两个必要的条件,一是材料中含有一定的氢;二是材料受到一定的应力,两者兼备时,才会形成氢脆。 


采用满应变拉伸或者应力持久结合金相分析,能够更好的评估氢脆风险,减少氢脆的检出时间。氢脆受到多种因素的影响,除去两个必要条件,在实际检测中,还需要考虑环境、温度及高强度紧固件置入试验夹具的方向、速度等,此外高强度紧固件的加工方法等也存在一定影响,因此,在实际检测中要考虑多种因素,观察各个因素影响结果曲线进行综合分析。


高强度紧固件氢脆风险检测能够有效减少氢脆的影响,但并不能完全消除影响,因此,了解氢脆断裂的机理,掌握氢脆断裂的规律,可以采取避免、消除氢脆的措施进行预防,常见的预防措施有减少金属中渗氢数量、镀低氢溶解度的涂层、去应力及除氢等。此外可以使用酸洗、涂油、磷化、表面镀锌等处理除氢,综合使用预防、除氢、检测手段来减少氢脆的影响。

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