如何规避高强度螺栓的氢脆风险

氢脆是指工件吸氢或原材料含氢过高而导致的韧度和延性断裂强度降低的现象。它的发生需满足两个条件，即金属有较高的含氢量和一定的外力作用。

氢脆是一种延迟破坏、即材料在低于抗拉强度的应力作用下，经过一段时间后发生突然断裂。其脆性表现为金属材料的伸长率及断面收缩率的降低，缺口抗拉强度降低，静载下的滞后断裂。氢脆一般发生于屈服强度大于620MPa的高强度材料。材料强度对氢脆敏感性的影响是：随着钢的强度的提高，其变脆指数也升高，对氢脆乐敏感。由于氢脆具有延迟性和突发性，所以它的危害很大。

对于高强度螺栓不但使用中碳合金结构钢，而且还要进行调质处理，热处理调质是为了提高螺栓的综合力学性能，以满足产品规定的抗拉强度值和屈强比。

由于高强度螺栓生产量大，价格低廉，螺纹部分又是比较细微且相对精密的结构，因此要求热处理设备必须具备生产能力大、自动化程度高、热处理质量好的能力，90年代以来，我国带有保护气氛的连续式热处理生产线已占主导地位，国内紧固件企业纷纷添置网带炉，尤其适用于中小规格螺栓，避免了在热处理加热中螺栓氧化烧损、脱碳，得到光亮和光洁的表面。

保护气氛常采用高纯度甲醇经低温催化裂解：CH3OH→CO+2H2，炉内气氛成分64%H2，32%CO。

螺栓多采用冷镦工艺生产，局部地区材料塑性变形可达60%~80%，不允许有任何折叠。但由于机床精度、操作工人的技术水平、模具尺寸和质量等综合因素影响，造成螺栓头部和杆部结合处的晶粒破碎或金属纤维断裂，此处组织很不均匀，并形成一个脆性断裂危险区域，造成应力集中。在热处理式，较高的加热温度，氢很容易渗入螺栓应力集中的区域（螺栓头杆结合处）。

氢渗入原因还很多，如酸洗和电镀，都会发生氢的渗入。这是因为紧固件用户市场对螺栓表面的要求越来越高（即要求螺栓表面具有特殊的处理、防腐性和均一的起动扭矩）。表面处理通常是电镀，有机和无机物涂层或磷化，所有这些工艺有一个共同的前提——必须除去螺栓表面黑色氧化层，使具有金属光亮，为此就必须对螺栓进行酸洗。

酸洗是把螺栓放在稀盐酸中搅动10~15min。所以从酸洗到表面处理（如电镀）期间，大部分氢侵入到螺栓表面。

氢脆断裂均发生于螺杆处，端口平坦，源区呈放射状特征，无缩颈变形。断口上有数个台阶，具有多裂纹源的特征，从宏观端口特征分析为脆断。

在热处理加热中，螺栓吸收并溶解的氢以原子形式进入晶格的间隙，为了降低晶格被氢胀大后造成的高能量状态，在应力梯度驱动下，氢原子会以扩散方式迁移，自动集中到螺栓塑性变形后产生的缺陷处——头杆结合部。大量氢原子的聚集，使该处氢含量增大。由于分子氢是更稳定的状态，所以氢原子会以分子形式存在，而分子氢的比容很大，故体积膨胀就造成巨大的内应力，在一定外力共同作用下，使螺栓头杆结合处产生裂纹，严重的产生断裂。由于氢的扩散需要时间，且氢的浓度达到一定程度后才发生开裂，这一段时间为开裂孕育期。若实际应力大于上临界应力，则出现瞬时过载断裂；若小于下临界应力，则长期工作也会断裂。

氢脆的预防措施为在保证螺栓达到各项力学性能指标的基础上（尤其是把强度和保证应力控制在合格范围内），要对螺栓的硬度控制在一定范围。

适当降低淬火加热温度。由于氢在金属中的溶解度与温度有关，所以降低温度，可减少螺栓的吸氢量，对SCM435(35CrMo)、SCr440(42CrMo)或40Cr淬火或复碳工艺，加热温度一律控制在860 ~870摄氏度。在连续式网带渗碳炉加热时，要在保证炉内有足够的保护气氛，碳势在0.33%~0.38%的前提下，尽量减少载气和富化气的供给量，使炉内氢的浓度降低，也就使螺栓中氢的渗入量减少。

减少应力集中，改善螺栓头杆结合处的组织结构。精心调制冷镦机床，合理分配螺栓头部的镦锻变形量，增大头杆结合处的过渡圆角，使其内部组织达到合理状态。

推荐镀锌去氢工艺：镀锌越4~5min→200摄氏度去氢处理2~4h→清洗→再镀锌越4~5min→钝化。高强度螺栓吸入氢并引发氢脆的发生，需要一定的时间，即它有一个孕育期，在生产中不易表现出来，所以常常被忽视。只要认真遵循工艺规程，制定合理的加工工艺，就能防止氢脆的产生。