典型案例分析：從失效案例探討鋼制緊固件的氫脆問題
作者：網站管理員
來源：本站原創
日期：2018/12/8 11:03:05
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討論影響鋼制緊固件氫脆敏感性的主要因素。分析認為，設計上要充分考慮材料強度對氫脆敏感性的影響，盡量降低其強度水平；要采用合適的熱處理工藝，以減少晶界脆化元素，抑制薄膜狀碳化物的形成，從而獲得氫脆敏感性小的顯微組織；在加工及裝配過程中，應盡可能避免在零件表面產生機械損傷；要采用低氫脆電鍍工藝，必要時采用無氫脆的達克羅等涂覆方法；電鍍后要采用合理的除氫工藝，進行嚴格除氫處理；對于重復使用件，在酸洗去除鍍層后要先進行除氫處理，然后電鍍，再除氫。
氫脆問題自20世紀40年代被發現以來，一直是嚴重威脅產品使用安全的一個重大問題。由于零件在發生氫脆斷裂之前并無征兆，具有延遲破壞的特點，無法通過正常檢查程序發現螺栓是否會發生氫脆斷裂，因此，一旦零件發生氫脆斷裂往往會造成十分嚴重的后果。近年來，先進武器裝備對材料特別是鋼類材料強度的要求越來越高，大量高強度鋼被采用。隨著鋼類零件強度的升高，其對氫脆敏感性隨之增大，導致高強度鋼構件氫脆斷裂問題在航空、航天等國防工業領域內出現的頻率越來越高，給武器裝備的使用帶來了很大的安全隱患。
鋼制緊固件由于具有強度高、材料成本低等優點，在軍工行業內得到了大量應用。緊固件雖小但用量大，多為聯接承力件，一旦失效可能導致嚴重事故。鋼制緊固件在承受靜態拉伸載荷條件下發生氫脆斷裂是較為常見的失效模式，由于氫脆大都與“批次性”問題有關，因此其危害較大。長期以來，氫脆斷裂的機理一直是研究的熱點，但這些研究成果在實際工程構件的失效預防上難以直接應用，鋼制緊固件尤其是高強度鋼制緊固件的氫脆問題仍然非常突出。本工作通過對幾起典型鋼制緊固件氫脆失效案例的介紹，從設計、制造（熱處理、機械加工、電鍍、除氫等工藝）方面對影響氫脆斷裂的因素進行了探討，提出了預防鋼制緊固件氫脆失效的實用措施。
1典型案例分析
1.1 案例一：發動機噴管螺釘氫脆斷裂
某固體火箭發動機燃燒室殼體進行水壓爆破實驗，在加壓至11.8MPa時（設計要求爆破破壞壓強不得小于24.1MPa)，燃燒室殼體后封頭端試驗堵蓋處發生泄漏并泄壓，從第Ⅱ象限至第Ⅲ象限的第3、第4、第5顆噴管固定螺釘頭部斷裂飛出。螺釘材料為30CrMnSiNi2A超高強度鋼。
螺釘均斷裂于 扣螺紋處，斷口的宏觀特征基本相同，呈暗灰色，斷口平齊，斷面可見放射棱線，由棱線可知斷裂從退刀槽呈線性起源，見圖1。斷口上存在兩個明顯不同的區域：Ⅰ區呈結晶顆粒狀，Ⅱ區呈纖維狀。工區（源區）微觀呈沿晶形貌，晶粒輪廓鮮明，晶界面上布滿了細小條狀的撕裂棱線，可見“雞爪狀”形貌和二次裂紋，見圖2。Ⅱ區呈靭窩斷裂特征。
材質檢查表明，螺釘的顯微組織均為回火馬氏體、下貝氏體及少量的殘余奧氏體，組織正常。螺釘的硬度值均為49HRC左右，在設計要求的48?50.3HRC范圍內；換算后的抗拉強度約為1690MPa，符合= 1666MPa±98MPa的設計要求。氫含量測試結果顯示，螺釘基體的氫含量質量分數均小于0.0001%。
失效分析結果表明，螺釘的斷裂性質為氫脆斷裂。按照工程經驗，質量分數小于0.0001%的氫含量并不易導致30CrMnSiNi2A螺釘發生氫致脆性斷裂。螺釘硬度換算所得的抗拉強度為1690MPa左右，符合σb= 1666MPa±98MPa的設計要求。然而，螺釘材料的初始設計強度σb=1500MPa±98MPa，按淬火+回火的熱處理制度，回火溫度應在360°C左右，恰處在該材料的回火脆溫度區間（350?550C)。為避免回火脆，設計部門將設計強度改為σb=1666MPa±98MPa，采用的熱處理制度：90?910℃，油淬，300C±30°C，回火。熱處理后螺釘的強度達到了設計要求，但在使用過程中發生了氫脆斷裂失效。為查找斷裂的真正原因，螺釘材料的設計強度改回初始值σb=1500MPa±98MPa，為此用等溫淬火代替淬火+回火工藝，即890?910C加熱，310?330C保溫1h，空冷。采用該工藝后，材料的強度在σb= 1500MPa±98MPa的范圍內。
采取上述改進措施后，螺釘的氫脆斷裂得到了有效預防。由此表明，螺釘的斷裂原因主要是由于螺釘材料的抗拉強度偏高，增大了螺釘的氫脆敏感性。
1.2 案例二：30CrMnSiNi2A螺栓氫脆斷裂
某批次30CrMnSiNi2A螺栓在使用過程中發生大量開裂或斷裂現象，而后采取提高表面光潔度及螺栓六方頭根部處轉角R的加工質量等措施，螺栓在使用中仍出現斷裂的情況。
螺栓斷口源區見圖3，沿螺栓表面弧線起源。斷口沿晶斷裂特征見圖4，晶界面粗糙，且布滿細小條狀的撕裂棱線，局部可見“雞爪狀”形貌和二次裂紋。
螺栓的組織正常，顯微硬度測試結果換算所得的洛氏硬度和抗拉強度符合技術要求。測得基體的氫含量質量分數為0.0004%左右。工程經驗表明，該氫含量足以使30CrMnSiNi2A鋼發生氫脆斷裂，因此，螺栓的斷裂主要與氫含量過高有關。
1.3 案例三：發動機進氣道螺栓斷裂
某發動機右進氣道螺栓在飛行5h25min，6個飛行起落后在空中發生斷裂。螺栓材料為30CrMnSiA，為重復使用件，表面進行電解除油和除去舊鋅層后，進行表面電鍍鋅，鍍鋅完成后進行190℃±10℃/4h的除氫處理。
螺栓斷裂于 扣螺紋根部，斷口較平整，呈黑灰色，局部可見閃光小刻面特征，見圖5。斷口邊緣大部分為沿晶斷裂特征，見圖6。對失效螺栓和同爐批二次鍍鋅的完好螺栓進行金相組織檢查，結果表明，失效螺栓的組織為回火馬氏體，而完好螺栓的組織為回火索氏體，分別見圖7和圖8。
對失效螺栓和同爐批二次鍍鋅的完好螺栓進行顯微硬度檢測，并換算成抗拉強度，結果見表1?？梢?，斷裂螺栓的硬度和強度皆高于完好螺栓，并且抗拉強度高于規定要求（1080?1280MPa)較多。
同爐批完好螺栓的氫含量測試結果見表2，可見同爐批螺栓中的氫含量較高。
失效分析結果表明，螺栓發生氫脆斷裂主要與螺栓材料強度偏高和氫含量較高有關。
1.4案例四：起落架300M鋼螺粧氫脆斷裂
某飛機起落架螺樁安裝一段時間后，螺樁發生了斷裂，斷裂位于 扣螺紋根部。螺樁材料為300M鋼，表面經鍍鎘-鈦處理。
螺樁斷口宏觀形貌見圖9，分成兩個區域：Ⅰ區斷面粗糙、暗灰色，呈結晶顆粒狀，約占斷口總面積的1 / 3; Ⅱ區平坦、銀灰色，占斷口總面積的2/3左右。斷口邊緣多處可見明顯的機械損傷痕跡，見圖10。Ⅰ區的高倍形貌呈沿晶斷裂特征，晶界面并不光滑，而是布滿了細小條狀的撕裂棱線，局部可見“雞爪狀”形貌，見圖11。Ⅱ區為瞬斷區，呈靭窩斷裂特征。對斷口Ⅰ區由邊緣向內部依次進行能譜成分分析，在沿晶區未發現鎘元素，可見，沿晶裂紋的產生與鎘脆無關。由螺樁斷口的微觀特征可知，螺樁的斷裂性質為氫脆斷裂。
由所測螺樁的硬度換算出抗拉強度為1892MPa，符合技術規定σb= 1960MPa±100MPa的要求。對失效螺樁、與失效螺樁同批電鍍的一件無機械損傷的螺樁、新制無機械損傷的螺樁以及原材料進行氫含量測試，結果見表3?？梢钥闯?，失效件氫含量高于與失效螺樁同批電鍍的無機械損傷的螺樁，略高于原材料的氫含量；而且，除失效件外，與失效螺樁同批次螺樁及新制螺樁的氫含量均低于原材料，由此表明，失效螺樁氫含量偏高與電鍍及除氫工藝無關，而與機械損傷有直接關系。因此，表面機械損傷是導致螺樁氫脆斷裂的主要原因。
