螺絲氫脆斷頭分析

1、螺絲氫脆斷頭分析什么是氫脆？What is hydrogen embrittlement?氫脆是指由于氫原子在金屬組織中夾雜而導(dǎo)致金屬變脆的現(xiàn)象。據(jù)個人對螺絲產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能的了解，導(dǎo)致氫脆斷頭的原因大致有以下幾種：一、 結(jié)構(gòu)1、 螺絲頭部槽型與桿部成的比例不適時，即槽深太深，桿部直徑過小，頭部與桿部的連接處太簿，產(chǎn)生應(yīng)力集中。此時會使產(chǎn)品出現(xiàn)頭現(xiàn)象。2、 頭下圓角過小，即打冷鐓打成直角時，也會產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致產(chǎn)品斷頭。二、 熱處理產(chǎn)品在熱處理的過程中，因熱處理的硬度過高，此時也會使產(chǎn)品斷頭。三、 電鍍過程在電鍍后除氫不到位，也會使產(chǎn)品產(chǎn)生斷頭。鋼鐵件在電鍍加工過程中出現(xiàn)氫脆的情況較多。這主要

2、是在進行酸洗、陰極除油、電鍍等過程中，都有還原態(tài)氫原子生成，由于氫原子的半徑最小，可以自由進入金屬結(jié)晶的間隙占據(jù)一定的晶位，使晶格變形，帶來內(nèi)應(yīng)力或使基體或鍍層局部硬度增加，造成脆性，這就是常說的氫脆。進入基體和鍍層間的氫還會使鍍層起泡。氫脆對高強度鋼和彈性制件的危害特別大，在人們沒有認識氫脆的危害以前，曾經(jīng)因為氫脆的實際存在而造成過許多嚴重的質(zhì)量事故，造成嚴重的設(shè)備損壞和人員傷亡事故。因此在認識到氫脆的嚴重危害性以后，防止氫脆就成為電鍍等有滲氫可能的加工工藝的一項重要指標(biāo)。為了防止氫脆，在酸洗液中要加入一些緩蝕劑，抑制氫的析出。電解除油要采用陽極電解。電鍍中也要采用較大電流密度和采用電流效率

3、高的鍍種等。同時，對于氫脆敏感的制件，在電鍍完成后，要在恒溫箱中200去氫2h，以除去氫脆的影響。對要求很高的產(chǎn)品可以進行真空除氫。氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋，又稱白點。氫脆只可防，不可治。氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。在材料的冶煉過程和零件的制造與裝配過程(如電鍍、焊接)中進入鋼材內(nèi)部的微量氫(106量級)在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng)力作用下導(dǎo)致材料脆化甚至開裂。在尚未出現(xiàn)開裂的情況下可以通過脫氫處理(例如加熱到200以上數(shù)小時，可使內(nèi)氫減少)恢復(fù)鋼材的性能。因此內(nèi)氫脆是可逆的。熱處理不適用的情況熱處理的方法是將工件加熱至某一溫度，保溫一段

4、時間，緩冷，使氫隨溶解度逐漸變小，逐漸析出。但加熱會破壞鍍層，因此熱處理的方法對于經(jīng)過電鍍的工件并不適用。如何防治首先，盡量縮短酸洗時間；其次加緩蝕劑，減少產(chǎn)氫量。 壓力容器的氫脆(或稱氫損傷)是指它的器壁受到氫的侵蝕，造成材料塑性和強度降低，并因此而導(dǎo)致的開裂或延遲性的脆性破壞。高溫高壓的氫對鋼的損傷主要是因為氫以原子狀態(tài)滲入金屬內(nèi)，并在金屬內(nèi)部再結(jié)合成分子，產(chǎn)生很高的壓力，嚴重時會導(dǎo)致表面鼓包或皺折；氫與鋼中的碳結(jié)合，使鋼脫碳，或使鋼中的硫化物與氧化物還原。造成壓力容器氫脆破壞的氫，可以是設(shè)備中原來就存在的，例如，煉鋼、焊接過程中的濕氣在高溫下被還原而生成氫，并溶解在液體金屬中。或設(shè)備在電

5、鍍或酸洗時，鋼表面被吸附的氫原子過飽和，使氫滲入鋼中；也可以是使用后由介質(zhì)中吸收進入的，例如在石油、化工容器中，就有許多介質(zhì)中含氫或含混有硫化氫的雜質(zhì)。鋼發(fā)生氫脆的特征主要表現(xiàn)在微觀組織上。它的腐蝕面常可見到鋼的脫碳鐵素體，氫脆層有沿著晶界擴展的腐蝕裂紋。腐蝕特別嚴重的容器，宏觀上可以發(fā)現(xiàn)氫脆所產(chǎn)生的鼓包。介質(zhì)中含氫(或硫化氫)的容器是否會發(fā)生氫脆，主要決定于操作溫度、氫的分壓、作用時間和鋼的化學(xué)成分。溫度越高、氫分壓越高，碳鋼的氫脆層就越深，發(fā)生氫脆破裂的時間也越短，其中溫度尤其是重要因素。鋼的含碳量越高，在相同的溫度和壓力條件下，氫脆的傾向越嚴重。鋼中添有鉻、鈦、釩等元素，可以阻止氫脆的產(chǎn)

6、生。 出現(xiàn)氫脆的工件通過除氫處理（如加熱等）也能消除氫脆，采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。如電鍍件的去氫都在200240度的溫度下，加熱24小時可將絕大部分氫去除。 氫在常溫常壓下不會對鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當(dāng)溫度超過300和壓力高于30MPa時，會產(chǎn)生氫脆這種腐蝕缺陷，尤其是在高溫條件下。如合成氨生產(chǎn)過程中的脫硫塔、變換塔、氨合成塔；煉油過程中的一些加氫反應(yīng)裝置；石油化工生產(chǎn)過程中的甲醇合成塔等。 二：氫脆-鋼材中的氫會使材料的力學(xué)性能脆化，這種現(xiàn)象稱為氫脆。主要發(fā)生在碳鋼和低合金鋼中。一種螺栓氫脆失效傾向（HES）的試驗方法相信大多數(shù)緊固件制造廠商都有高強度螺栓因電鍍后氫脆失效的

7、經(jīng)驗，減少和消除螺栓的氫脆一般靠嚴格的電鍍工藝控制，鍍后還要通過對電鍍件長時間的烘烤(烘烤的時間是否足夠主要取決于螺栓的機械性能級別、鍍層類別厚度)，使產(chǎn)品游離狀的氫得以釋放，減輕對產(chǎn)品的影響。由于電鍍工藝中各種參數(shù)(例如酸洗濃度、電鍍液、電流大小、溫度、時間等)，都可能引起產(chǎn)品滲氫量的變化，而大多數(shù)生產(chǎn)廠家電鍍后烘烤時間根據(jù)螺栓的機工性能是固定的，雖然可以避免和減少氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，但是由于各種參數(shù)的變化和不能即時測試氫的含量，以及考慮經(jīng)濟性、效率的同時又不能無限制的增加烘烤時間，所以雖然經(jīng)過烘烤，卻不能完全排除產(chǎn)品的氫脆失效的可能。電鍍除氫后測試氫脆傾向試驗是有必要的，為此國標(biāo)上提出多種關(guān)于

8、氫脆傾向的試驗辦法，我們國家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)ISO15330制定了GB/T3098.172000標(biāo)準(zhǔn)，提出了檢查氫脆用預(yù)載荷試驗平行支承面法。螺栓的氫脆傾向的測試并不是一種強制性驗收項目，它只是一種對螺栓氫脆傾向的評估，如果螺栓出現(xiàn)裂紋或斷裂，那么該產(chǎn)品既有可能出現(xiàn)氫脆失效的可能。鑒于高強度螺栓大多為重要的保安件，用戶往往提出很高的要求，實際的裝配條件可能出入較大，為了給用戶提供可靠的產(chǎn)品，減少氫脆失效風(fēng)險，特推薦另外一種測試方法(ASTMF606M)，供同行參考。1.試驗夾具(試驗夾具見圖1)；試驗夾具由淬火墊片和墊板，及淬火楔型墊組成。淬火墊片：(ASTM F436M)墊片的材料可選擇碳鋼，硬度H

9、RC3845；尺寸見圖2和表1：其它要求請參見ASTM F436M淬火鋼墊鋼圈(公制)楔型墊：楔型墊的材料和硬度同淬火墊片，除斜面外尺寸可參考表1.楔板墊斜度見表2墊板：墊板材料采用碳鋼，孔徑與螺栓外徑接近，但不能大于墊圈的孔徑。厚度要求裝配后留三個完整螺紋在外邊。2、試驗方法：a.測試的試件在夾具中鎖緊固至螺栓最小抗拉強度的75%。b.由螺母來測試扭緊和拆卸力矩。c.裝配后要保持48小時的鎖緊狀態(tài)。d.拆卸時，扭力矩不得小于鎖緊力矩的90%。e.拆卸后用20倍放大鏡檢查螺栓桿徑、螺紋和頭桿結(jié)合部有無裂紋產(chǎn)生。3、試樣：試樣采用隨機形式，在同一生產(chǎn)批中任取3件。4、試驗扭矩的確定：擰緊螺母時，擰緊力矩M需要克服旋合螺紋間的摩擦力矩和螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦矩，并產(chǎn)生軸向力P0，它們的關(guān)系為：Mt=KP0d10-3kgf. mK-鎖緊力矩系數(shù)；d-螺栓的公稱直徑；由于螺紋、螺母和被聯(lián)接件等表面摩擦狀況的不同，K值可以按有關(guān)資料推薦的公式計算，一般值在0.10.3之間，為方便計算通常選K=0.2。通過上式，可以