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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(rèn)為，設(shè)計(jì)上要充分考慮材料強(qiáng)度對(duì)氫脆敏感性的影響，盡量降低其強(qiáng)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(guò)程中，應(yīng)盡可能避免在零件表面產(chǎn)生機(jī)械損傷；要采用低氫脆電鍍工藝，必要時(shí)采用無(wú)氫脆的達(dá)克羅等涂覆方法；電鍍后要采用合理的除氫工藝，進(jìn)行嚴(yán)格除氫處理；對(duì)于重復(fù)使用件，在酸洗去除鍍層后要先進(jìn)行除氫處理，然后電鍍，再除氫。
氫脆問題自20世紀(jì)40年代被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是嚴(yán)重威脅產(chǎn)品使用安全的一個(gè)重大問題。由于零件在發(fā)生氫脆斷裂之前并無(wú)征兆，具有延遲破壞的特點(diǎn)，無(wú)法通過(guò)正常檢查程序發(fā)現(xiàn)螺栓是否會(huì)發(fā)生氫脆斷裂，因此，一旦零件發(fā)生氫脆斷裂往往會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果。近年來(lái)，先進(jìn)武器裝備對(duì)材料特別是鋼類材料強(qiáng)度的要求越來(lái)越高，大量高強(qiáng)度鋼被采用。隨著鋼類零件強(qiáng)度的升高，其對(duì)氫脆敏感性隨之增大，導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼構(gòu)件氫脆斷裂問題在航空、航天等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高，給武器裝備的使用帶來(lái)了很大的安全隱患。
鋼制緊固件由于具有強(qiáng)度高、材料成本低等優(yōu)點(diǎn)，在軍工行業(yè)內(nèi)得到了大量應(yīng)用。緊固件雖小但用量大，多為聯(lián)接承力件，一旦失效可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。鋼制緊固件在承受靜態(tài)拉伸載荷條件下發(fā)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(guān)，因此其危害較大。長(zhǎng)期以來(lái)，氫脆斷裂的機(jī)理一直是研究的熱點(diǎn)，但這些研究成果在實(shí)際工程構(gòu)件的失效預(yù)防上難以直接應(yīng)用，鋼制緊固件尤其是高強(qiáng)度鋼制緊固件的氫脆問題仍然非常突出。本工作通過(guò)對(duì)幾起典型鋼制緊固件氫脆失效案例的介紹，從設(shè)計(jì)、制造（熱處理、機(jī)械加工、電鍍、除氫等工藝）方面對(duì)影響氫脆斷裂的因素進(jìn)行了探討，提出了預(yù)防鋼制緊固件氫脆失效的實(shí)用措施。
1典型案例分析
1.1 案例一：發(fā)動(dòng)機(jī)噴管螺釘氫脆斷裂
某固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體進(jìn)行水壓爆破實(shí)驗(yàn)，在加壓至11.8MPa時(shí)（設(shè)計(jì)要求爆破破壞壓強(qiáng)不得小于24.1MPa)，燃燒室殼體后封頭端試驗(yàn)堵蓋處發(fā)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(qiáng)度鋼。
螺釘均斷裂于第一扣螺紋處，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(gè)明顯不同的區(qū)域：Ⅰ區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀，Ⅱ區(qū)呈纖維狀。工區(qū)（源區(qū)）微觀呈沿晶形貌，晶粒輪廓鮮明，晶界面上布滿了細(xì)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(qū)呈靭窩斷裂特征。
材質(zhì)檢查表明，螺釘?shù)娘@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?shù)挠捕戎稻鶠?9HRC左右，在設(shè)計(jì)要求的48〜50.3HRC范圍內(nèi)；換算后的抗拉強(qiáng)度約為1690MPa，符合= 1666MPa±98MPa的設(shè)計(jì)要求。氫含量測(cè)試結(jié)果顯示，螺釘基體的氫含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.0001%。
失效分析結(jié)果表明，螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)為氫脆斷裂。按照工程經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0001%的氫含量并不易導(dǎo)致30CrMnSiNi2A螺釘發(fā)生氫致脆性斷裂。螺釘硬度換算所得的抗拉強(qiáng)度為1690MPa左右，符合σb= 1666MPa±98MPa的設(shè)計(jì)要求。然而，螺釘材料的初始設(shè)計(jì)強(qiáng)度σb=1500MPa±98MPa，按淬火+回火的熱處理制度，回火溫度應(yīng)在360°C左右，恰處在該材料的回火脆溫度區(qū)間（350〜550C)。為避免回火脆，設(shè)計(jì)部門將設(shè)計(jì)強(qiáng)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?shù)膹?qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但在使用過(guò)程中發(fā)生了氫脆斷裂失效。為查找斷裂的真正原因，螺釘材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)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(qiáng)度在σb= 1500MPa±98MPa的范圍內(nèi)。
采取上述改進(jìn)措施后，螺釘?shù)臍浯鄶嗔训玫搅擞行ьA(yù)防。由此表明，螺釘?shù)臄嗔言蛑饕怯捎诼葆敳牧系目估瓘?qiáng)度偏高，增大了螺釘?shù)臍浯嗝舾行浴?
1.2 案例二：30CrMnSiNi2A螺栓氫脆斷裂
某批次30CrMnSiNi2A螺栓在使用過(guò)程中發(fā)生大量開裂或斷裂現(xiàn)象，而后采取提高表面光潔度及螺栓六方頭根部處轉(zhuǎn)角R的加工質(zhì)量等措施，螺栓在使用中仍出現(xiàn)斷裂的情況。
螺栓斷口源區(qū)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(xì)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(cè)試結(jié)果換算所得的洛氏硬度和抗拉強(qiáng)度符合技術(shù)要求。測(cè)得基體的氫含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0004%左右。工程經(jīng)驗(yàn)表明，該氫含量足以使30CrMnSiNi2A鋼發(fā)生氫脆斷裂，因此，螺栓的斷裂主要與氫含量過(guò)高有關(guān)。
1.3 案例三：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道螺栓斷裂
某發(fā)動(dòng)機(jī)右進(jìn)氣道螺栓在飛行5h25min，6個(gè)飛行起落后在空中發(fā)生斷裂。螺栓材料為30CrMnSiA，為重復(fù)使用件，表面進(jìn)行電解除油和除去舊鋅層后，進(jìn)行表面電鍍鋅，鍍鋅完成后進(jìn)行190℃±10℃/4h的除氫處理。
螺栓斷裂于第一扣螺紋根部，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(duì)失效螺栓和同爐批二次鍍鋅的完好螺栓進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)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(duì)失效螺栓和同爐批二次鍍鋅的完好螺栓進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，并換算成抗拉強(qiáng)度可見，斷裂螺栓的硬度和強(qiáng)度皆高于完好螺栓，并且抗拉強(qiáng)度高于規(guī)定要求（1080〜1280MPa)較多。
同爐批完好螺栓的氫含量測(cè)試結(jié)果見表2，可見同爐批螺栓中的氫含量較高。
失效分析結(jié)果表明，螺栓發(fā)生氫脆斷裂主要與螺栓材料強(qiáng)度偏高和氫含量較高有關(guān)。
1.4案例四：起落架300M鋼螺粧氫脆斷裂
某飛機(jī)起落架螺樁安裝一段時(shí)間后，螺樁發(fā)生了斷裂，斷裂位于第一扣螺紋根部。螺樁材料為300M鋼，表面經(jīng)鍍鎘-鈦處理。
螺樁斷口宏觀形貌見圖9，分成兩個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)斷面粗糙、暗灰色，呈結(jié)晶顆粒狀，約占斷口總面積的1 / 3; Ⅱ區(qū)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(jī)械損傷痕跡，見圖10。Ⅰ區(qū)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(xì)小條狀的撕裂棱線，局部可見“雞爪狀”形貌，見圖11。Ⅱ區(qū)為瞬斷區(qū)，呈靭窩斷裂特征。對(duì)斷口Ⅰ區(qū)由邊緣向內(nèi)部依次進(jìn)行能譜成分分析，在沿晶區(qū)未發(fā)現(xiàn)鎘元素，可見，沿晶裂紋的產(chǎn)生與鎘脆無(wú)關(guān)。由螺樁斷口的微觀特征可知，螺樁的斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。
由所測(cè)螺樁的硬度換算出抗拉強(qiáng)度為1892MPa，符合技術(shù)規(guī)定σb= 1960MPa±100MPa的要求。對(duì)失效螺樁、與失效螺樁同批電鍍的一件無(wú)機(jī)械損傷的螺樁、新制無(wú)機(jī)械損傷的螺樁以及原材料進(jìn)行氫含量測(cè)試，結(jié)果見表3。可以看出，失效件氫含量高于與失效螺樁同批電鍍的無(wú)機(jī)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(wú)關(guān)，而與機(jī)械損傷有直接關(guān)系。因此，表面機(jī)械損傷是導(dǎo)致螺樁氫脆斷裂的主要原因。
緊固件展-2017第十八屆廣州國(guó)際緊固件及設(shè)備展覽會(huì)-巨浪展覽-The 18th China(Guangzhou)Int’l Fastener & Equipment Exhibition
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