黑金属件氢脆常识

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1、特别注意紧固件的氢脆 2008/8/22/97421 .shtml 原始邮件发件人：甘霖发件时间：2010-03-08 11:20:07 什么叫氢脆，如何防止氢脆氢脆（hydrogen embri ttlem ent）是指金属材料在 冶炼，加工，热处理，邂洗和电镀等过程中，或在 含氢介质中长期使用时材料由于吸氢或氢渗而造 成机械性能严重退化，发生脆断的现象.1氢脆一经产生，就消除不了。氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超 过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。氢脆 只可防，不可治。2内氢脆在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程（如电镀、焊 接）中进入钢材内部的微量氢（

2、10-6量级）在内部残余的或外加 的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。在尚未出现开裂的情况 下可以通过脱氢处理（例如加热到200C以上数小时，可使内氢 减少）恢复钢材的性能。因此内氢脆是可逆的。3.热处理不适用的情况热处理的方法是将工件加热至某一温度，保温一段时间， 缓冷，使氢随溶解度逐渐变小，逐渐析出。但加热会破坏镀层， 因此热处理的方法对于经过电镀的工件并不适用。4.如何防治。首先，尽量缩短酸洗时间；其次加缓蚀剂，减少产氢量。 压力容器的氢脆（或称氢损伤）是指它的器壁受到氢的侵 蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性 的脆性破坏。高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状 态

3、渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高的压力, 严重时会导致表面鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳, 或使钢中的硫化物与氧化物还原。造成压力容器氢脆破坏的 氢，可以是设备中原来就存在的，例如，炼钢、焊接过程中的 湿气在高温下被还原而生成氢，并溶解在液体金属中。或设备 在电镀或酸洗时，钢表面被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢 中；也可以是使用后由介质中吸收进入的，例如在石油、化工 容器中，就有许多介质中含氢或含混有硫化氢的杂质。钢发生 氢脆的特征主要表现在微观组织上。它的腐蚀面常可见到钢的 脱碳铁素体，氢脆层有沿着晶界扩展的腐蚀裂纹。腐蚀特别严 重的容器，宏观上可以发现氢脆所产生的鼓包

4、。介质中含氢（或 硫化氢）的容器是否会发生氢脆，主要决定于操作温度、氢的 分压、作用时间和钢的化学成分。温度越高、氢分压越高，碳 钢的氢脆层就越深，发生氢脆破裂的时间也越短，其中温度尤 其是重要因素。钢的含碳量越高，在相同的温度和压力条件下, 氢脆的倾向越严重。钢中添有铬、钛、钒等元素，可以阻止氢 脆的产生。出现氢脆的工件通过除氢处理（如加热等）也能消除氢脆， 采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。如电镀件的 去氢都在200240度的温度下，加热24小时可将绝大部分氢 去除。氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300C和压力高于30MPa时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在

5、高温条件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合 成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置；石油化工生产过程中 的甲醇合成塔等。二：氢脆-钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现 象称为氢脆。主要发生在碳钢和低合金钢中。氢脆是指由于氢原子在金属组织中夹杂而导致金属变脆的现 象。钢铁件在电镀加工过程中出现氢脆的情况较多。这主要是 在进行酸洗、阴极除油、电镀等过程中，都有还原态氢原子生 成，由于氢原子的半径最小，可以自由进入金属结晶的间隙占 据一定的晶位，使晶格变形，带来内应力或使基体或镀层局部 硬度增加，造成脆性，这就是常说的氢脆。进入基体和镀层间 的氢还会使镀层起泡。氢脆对高强度钢和弹性制件的危

6、害特别大，在人们没有认 识氢脆的危害以前，曾经因为氢脆的实际存在而造成过许多严 重的质量事故，造成严重的设备损坏和人员伤亡事故。因此在 认识到氢脆的严重危害性以后，防止氢脆就成为电镀等有渗氢 可能的加工工艺的一项重要指标。为了防止氢脆，在酸洗液中要加入一些缓蚀剂，抑制氢的 析出。电解除油要采用阳极电解。电镀中也要采用较大电流密 度和采用电流效率高的镀种等。同时，对于氢脆敏感的制件， 在电镀完成后，要在恒温箱中200C去氢2h,以除去氢脆的影 响。对要求很高的产品可以进行真空除氢。金属材料发生脆化现象，大致上可以分为两类：一类是在一定 的温度条件下出现的脆性，或者是在一定的温度条件下，经过 一段

7、时期后出现的脆性。这时，金属的组织变化并不明显。属 于这一类的有冷脆性、热脆性、红脆性及回火脆性。另一类是由于金属长期在高温、应力、浸蚀介质的作用下， 金属的显微组织发生变化，从而引起材料发生脆化的现象。属冷脆性是指材料在低温下呈现的脆性。我们在金属的韧 性中谈到的各种在低温条件下发生的低应力破坏，均是由于 金属材料冷脆性所导致的结果。某些钢材长时间停留在大约400-500C温度区间后冷却到 室温，其冲击韧性值出现明显下降，这种现象称为金属的热脆 性。呈现热脆性的钢材在高温下并不脆，只有当冷至室温时， 才显出脆性。这时，钢材的冲击值很低。-般可以比其正常值 下降50-60,甚至下降8090。具

8、有热脆性的钢材，它的金相组 织没有明显的变化，钢材的其他性能也基本上没有变化。火电 厂的主蒸汽管道、高温螺栓具有热脆性趋向，检修时工艺操作 不当，容易损坏设备部件。钢的红脆性发生在含硫较多的钢材中，大约在温度 800900cC以上时，呈现较大的脆性，在锻打时容易开裂。因 为这个温度下钢材呈红色，所以称为红脆性。产生红脆性的原 因，是由于硫以硫化铁和硫的氧化物的形式存在于钢中，它们 形成易于熔化的共晶体，网状分布在晶界上，当钢被加热到 800C以上时，这种网状共晶体明显地软化，使晶间强度减弱 而脆裂。一般碳钢在淬火后进行回火处理，其冲击韧性随着回火温 度的提高而增加。但对于某些钢，发现在经250

9、400 C的回火 处理后，其常温冲击韧性反而降低，甚至低于低温回火时的冲 击值，这种现象称为回火脆性。苛性脆化一般发生在锅炉铆接、 胀接的接触表面上，它的主要破坏形式是产生裂纹。由于产生 的裂纹与存在苛性钠氢氧化钠有关，同时由于这种破裂没有明 显的塑性变形，属于脆裂性质，因而称为苛性脆化。金属与 合金在应力的作用下，纯粹由于氢的缘故，经过一定的时间以后，材料的塑性与韧性急剧下降，出现脆化现象，称为氢脆。 氢脆是一种延迟破坏，即使材料在低于屈服强度的拉应力作用 下，经过一段时期后，仍然会发生突然断裂。由于金属材料在 冶炼、热加工、焊接、电镀、酸洗等过程中吸收了过量的氢， 当钢中的氢含量超过5-1

10、0pp m时，就易出现氢脆。另外，在含 氢的气体或液体介质中工作的零件，有可能使氢进入金属材料 的内部，使材料的性能降低，出现氢脆。由于氢在钢中所表现 的复杂行为和脆性破坏，工程上发生了许多严重破坏事故，造 成巨大损失。因此，重要部件用钢，必须严格限制钢中的含氢 量，并且不允许有白点存在。另外，重要元件的焊接过程中， 必须采取严格的工艺措施，选用低氢型焊条、焊丝，并在使用 前充分烘干，去除水分及油污，尽量减少焊接过程中氢的吸入 量。紧固件热处理后的氢脆 紧固件的氢脆是由于在早期处理过程中有氢原子进入材料内 部。多数情况下，紧固件在承受静态拉伸载荷的条件下发生氢 脆。在进行高应变速率材料试验，如

11、普通拉伸试验时，不易发 生氢脆。氢原子通常向材料中承受三向应力的区域扩散。材料 中的应力水平与系统中氢的聚集程度将影响氢扩散到陷阱位 置的比例。氢在陷阱位置的聚集将使得材料的断裂应力下降， 以致在材料中出现裂纹形成、裂纹扩展及至失效等现象。氢在 承受静载的紧固件中的扩散可以通过氢脆断裂前的延迟时间 而直接观察到。由于材料的氢脆倾向、材料中氢的总量、氢的 扩散比以及旋加应力水平的不同，氢脆断裂时间延迟的变化很 大，从几分钟到几天或几周不等。如果紧固件在处理过程中曾经接触过具有氢离子的环境，它就 有可能发生氢脆。在钢发生化学或电化学反应的过程中产生氢 的任何处理都将使氢进入材料，从而增加材料的氢脆

12、倾向。汽 车工业中使用的钢质紧固件在环境腐蚀、阴极电解除油、酸液 去氧化皮、化学清洗、发黑和电镀一类的化学转化膜处理条件 下，都将与活性氢原子直接接触。由于电镀处理过程将产生氢， 其对钢制紧固件氢的吸收所起作用最大。电镀过程中吸收氢的 总量在很大程度上取决于电镀液的效率。总的来说，高效电镀 处理产生的氢比低效电镀处理产生的氢要少。电镀滚桶中电镀 液装载量的过多或过少等因素将对电镀处理的效率产生很大 的影响。其它与钢作用时产生氢的过程，如酸洗、热处理后去氧化皮或 镀前处理，其影响也都是不容忽视的。John-son的研究很好地 描述了浸入酸液对钢的韧性的影响。紧固件处理过程中对氢的 吸收是累积性的

13、。单一的某种处理引入零件的氢或许不足以导 致氢脆，但多种处理引入零件的氢的累积却有可能导致氢脆。电镀或清洗过程中氢吸收的不利影响可在电镀后的加热处理（通常是指烘烤）过程中予以消除或减轻。氢脆危害的严重程 度通常取决于紧固件的强度级别和/或冷加工状况。Troiano曾 经给出过失效时间与氢含量及烘烤时间之间的关系。通过烘 烤，材料中氢的聚集减轻，失效时间和较低的临界应力水平则 得以延长和提高。这里，临界应力水平是指低于其下就不会发 生氢脆的应力水平，类似于疲劳极限。烘烤时间是否足够主要取决于材料的硬度级别、电镀过程、镀 层类型和镀层厚度。经电镀处理的较低硬度水平（W35HRC） 的紧固件一般应至

14、少烘烤4小时；同样的镀层，但硬度水平较 高（M36HRC ）的紧固件一般应至少烘烤8小时。曾有建议指出 硬度在3133HRC之间的紧固件应烘烤8小时；硬度在3336HRC 之间的紧固件应烘烤10小时；硬度在3639HRC之间的紧固件烘 烤12小时。硬度在3943HRC之间的紧固件应烘14小时。烘烤工 艺的制订应同时考虑到紧固件的硬度水平与镀层类型。镀层在一定程度上可以起到氢扩散障碍的作用，这将阻碍氢向紧固件 外的扩散。一般来说，氢透过疏松涂层向紧固件外扩散比透过 致密涂层向外扩散要容易。镀锌层与较致密的镀镉之间即有这 种差别。为了使尽可能多的氢扩散出材料，有必要采取更长的 烘烤时间。认为，当镀

15、层的厚度超过25“m时，氢从钢中扩散 出去就将比较困难。在这种情况下，镀锌层就成了氢扩散的障 碍。可以认为，在这种情况下进行烘烤处理实际上使氢重新分 布到了材料中的各个陷阱位置。紧固件的氢脆失效的汽车工业中早已引起了人们的广泛关注。 这种失效不期而至，给汽车公司和紧固件供应商增加了很大的 负担，不仅使其在经济上蒙受损失，而且还对公司的用户满意 度以及汽车的安全性构成威胁。f-z=J防止紧固件的氢脆失效在汽车工业中日益受到重视。遭受氢脆 危害的紧固件可在实际应力远低于材料抗拉强度的条件下，于 装配后的数分钟内发生早期失效。在汽车装配车间，紧固件的 氢脆失效将使生产效率大大降低。对有潜在氢脆失效率危险的 汽车必进行逐一检查，并使用新的可靠的紧固件替换所有可疑 的紧固件，而更换紧固件将耗费大量时间。更换氢脆破坏的紧 固件对于汽车制造商和紧固件制造商都将是不小的负担。