典型案例分析：从失效案例探讨钢制紧固件的氢脆问题
作者：网站管理员
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日期：2018/12/8 11:03:05
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讨论影响钢制紧固件氢脆敏感性的主要因素。分析认为，设计上要充分考虑材料强度对氢脆敏感性的影响，尽量降低其强度水平；要采用合适的热处理工艺，以减少晶界脆化元素，抑制薄膜状碳化物的形成，从而获得氢脆敏感性小的显微组织；在加工及装配过程中，应尽可能避免在零件表面产生机械损伤；要采用低氢脆电镀工艺，必要时采用无氢脆的达克罗等涂覆方法；电镀后要采用合理的除氢工艺，进行严格除氢处理；对于重复使用件，在酸洗去除镀层后要先进行除氢处理，然后电镀，再除氢。
氢脆问题自20世纪40年代被发现以来，一直是严重威胁产品使用安全的一个重大问题。由于零件在发生氢脆断裂之前并无征兆，具有延迟破坏的特点，无法通过正常检查程序发现螺栓是否会发生氢脆断裂，因此，一旦零件发生氢脆断裂往往会造成十分严重的后果。近年来，先进武器装备对材料特别是钢类材料强度的要求越来越高，大量高强度钢被采用。随着钢类零件强度的升高，其对氢脆敏感性随之增大，导致高强度钢构件氢脆断裂问题在航空、航天等国防工业领域内出现的频率越来越高，给武器装备的使用带来了很大的安全隐患。
钢制紧固件由于具有强度高、材料成本低等优点，在军工行业内得到了大量应用。紧固件虽小但用量大，多为联接承力件，一旦失效可能导致严重事故。钢制紧固件在承受静态拉伸载荷条件下发生氢脆断裂是较为常见的失效模式，由于氢脆大都与“批次性”问题有关，因此其危害较大。长期以来，氢脆断裂的机理一直是研究的热点，但这些研究成果在实际工程构件的失效预防上难以直接应用，钢制紧固件尤其是高强度钢制紧固件的氢脆问题仍然非常突出。本工作通过对几起典型钢制紧固件氢脆失效案例的介绍，从设计、制造（热处理、机械加工、电镀、除氢等工艺）方面对影响氢脆断裂的因素进行了探讨，提出了预防钢制紧固件氢脆失效的实用措施。
1典型案例分析
1.1 案例一：发动机喷管螺钉氢脆断裂
某固体火箭发动机燃烧室壳体进行水压爆破实验，在加压至11.8MPa时（设计要求爆破破坏压强不得小于24.1MPa)，燃烧室壳体后封头端试验堵盖处发生泄漏并泄压，从第Ⅱ象限至第Ⅲ象限的第3、第4、第5颗喷管固定螺钉头部断裂飞出。螺钉材料为30CrMnSiNi2A超高强度钢。
螺钉均断裂于 扣螺纹处，断口的宏观特征基本相同，呈暗灰色，断口平齐，断面可见放射棱线，由棱线可知断裂从退刀槽呈线性起源，见图1。断口上存在两个明显不同的区域：Ⅰ区呈结晶颗粒状，Ⅱ区呈纤维状。工区（源区）微观呈沿晶形貌，晶粒轮廓鲜明，晶界面上布满了细小条状的撕裂棱线，可见“鸡爪状”形貌和二次裂纹，见图2。Ⅱ区呈靭窝断裂特征。
材质检查表明，螺钉的显微组织均为回火马氏体、下贝氏体及少量的残余奥氏体，组织正常。螺钉的硬度值均为49HRC左右，在设计要求的48〜50.3HRC范围内；换算后的抗拉强度约为1690MPa，符合= 1666MPa±98MPa的设计要求。氢含量测试结果显示，螺钉基体的氢含量质量分数均小于0.0001%。
失效分析结果表明，螺钉的断裂性质为氢脆断裂。按照工程经验，质量分数小于0.0001%的氢含量并不易导致30CrMnSiNi2A螺钉发生氢致脆性断裂。螺钉硬度换算所得的抗拉强度为1690MPa左右，符合σb= 1666MPa±98MPa的设计要求。然而，螺钉材料的初始设计强度σb=1500MPa±98MPa，按淬火+回火的热处理制度，回火温度应在360°C左右，恰处在该材料的回火脆温度区间（350〜550C)。为避免回火脆，设计部门将设计强度改为σb=1666MPa±98MPa，采用的热处理制度：90〜910℃，油淬，300C±30°C，回火。热处理后螺钉的强度达到了设计要求，但在使用过程中发生了氢脆断裂失效。为查找断裂的真正原因，螺钉材料的设计强度改回初始值σb=1500MPa±98MPa，为此用等温淬火代替淬火+回火工艺，即890〜910C加热，310〜330C保温1h，空冷。采用该工艺后，材料的强度在σb= 1500MPa±98MPa的范围内。
采取上述改进措施后，螺钉的氢脆断裂得到了有效预防。由此表明，螺钉的断裂原因主要是由于螺钉材料的抗拉强度偏高，增大了螺钉的氢脆敏感性。
1.2 案例二：30CrMnSiNi2A螺栓氢脆断裂
某批次30CrMnSiNi2A螺栓在使用过程中发生大量开裂或断裂现象，而后采取提高表面光洁度及螺栓六方头根部处转角R的加工质量等措施，螺栓在使用中仍出现断裂的情况。
螺栓断口源区见图3，沿螺栓表面弧线起源。断口沿晶断裂特征见图4，晶界面粗糙，且布满细小条状的撕裂棱线，局部可见“鸡爪状”形貌和二次裂纹。
螺栓的组织正常，显微硬度测试结果换算所得的洛氏硬度和抗拉强度符合技术要求。测得基体的氢含量质量分数为0.0004%左右。工程经验表明，该氢含量足以使30CrMnSiNi2A钢发生氢脆断裂，因此，螺栓的断裂主要与氢含量过高有关。
1.3 案例三：发动机进气道螺栓断裂
某发动机右进气道螺栓在飞行5h25min，6个飞行起落后在空中发生断裂。螺栓材料为30CrMnSiA，为重复使用件，表面进行电解除油和除去旧锌层后，进行表面电镀锌，镀锌完成后进行190℃±10℃/4h的除氢处理。
螺栓断裂于 扣螺纹根部，断口较平整，呈黑灰色，局部可见闪光小刻面特征，见图5。断口边缘大部分为沿晶断裂特征，见图6。对失效螺栓和同炉批二次镀锌的完好螺栓进行金相组织检查，结果表明，失效螺栓的组织为回火马氏体，而完好螺栓的组织为回火索氏体，分别见图7和图8。
对失效螺栓和同炉批二次镀锌的完好螺栓进行显微硬度检测，并换算成抗拉强度，结果见表1。可见，断裂螺栓的硬度和强度皆高于完好螺栓，并且抗拉强度高于规定要求（1080〜1280MPa)较多。
同炉批完好螺栓的氢含量测试结果见表2，可见同炉批螺栓中的氢含量较高。
失效分析结果表明，螺栓发生氢脆断裂主要与螺栓材料强度偏高和氢含量较高有关。
1.4案例四：起落架300M钢螺粧氢脆断裂
某飞机起落架螺桩安装一段时间后，螺桩发生了断裂，断裂位于 扣螺纹根部。螺桩材料为300M钢，表面经镀镉-钛处理。
螺桩断口宏观形貌见图9，分成两个区域：Ⅰ区断面粗糙、暗灰色，呈结晶颗粒状，约占断口总面积的1 / 3; Ⅱ区平坦、银灰色，占断口总面积的2/3左右。断口边缘多处可见明显的机械损伤痕迹，见图10。Ⅰ区的高倍形貌呈沿晶断裂特征，晶界面并不光滑，而是布满了细小条状的撕裂棱线，局部可见“鸡爪状”形貌，见图11。Ⅱ区为瞬断区，呈靭窝断裂特征。对断口Ⅰ区由边缘向内部依次进行能谱成分分析，在沿晶区未发现镉元素，可见，沿晶裂纹的产生与镉脆无关。由螺桩断口的微观特征可知，螺桩的断裂性质为氢脆断裂。
由所测螺桩的硬度换算出抗拉强度为1892MPa，符合技术规定σb= 1960MPa±100MPa的要求。对失效螺桩、与失效螺桩同批电镀的一件无机械损伤的螺桩、新制无机械损伤的螺桩以及原材料进行氢含量测试，结果见表3。可以看出，失效件氢含量高于与失效螺桩同批电镀的无机械损伤的螺桩，略高于原材料的氢含量；而且，除失效件外，与失效螺桩同批次螺桩及新制螺桩的氢含量均低于原材料，由此表明，失效螺桩氢含量偏高与电镀及除氢工艺无关，而与机械损伤有直接关系。因此，表面机械损伤是导致螺桩氢脆断裂的主要原因。
