對氫脆的機理、氫脆的斷口形貌、氫脆的表觀形式、影響氫脆的因素、氫脆的預防以及氫 脆的檢查分別進行了介紹，并通過對汽車生產中典型氫致斷裂案例的分析和研究，對氫脆斷口形貌提出了判定依據(jù):脆性斷口、沿晶斷裂、顯微氣孔、二次裂紋、發(fā)線花紋。并依據(jù)氫脆發(fā)生的機理和主要影響因素，強調對于高強度零件及時有效地進行去氫處理的重要性。

21世紀的汽車工業(yè)技術高速發(fā)展，在汽車安全 項、法規(guī)項的總成零部件中，高強度零部件被大量 使用，如高強度級別的螺栓和彈簧墊片、墊圈等。由 于這些零件常用在使用條件比較嚴格和苛刻的部位,因而在常見易發(fā)的產品質量事故中，零件氫致斷 裂問題正在日益引起業(yè)內人士的關注。

高強度零件在負載工作時，如果金屬內部存在 氫致?lián)p傷的情況，在經過一段時間后零件發(fā)生斷裂'的現(xiàn)象稱為氫致斷裂(也稱為氫脆），它是一種延遲斷裂破壞。由于氫脆沒有任何先兆，一旦突然發(fā)生斷裂，將對整車性能和行駛安全帶來極大的危害。

除非氫脆現(xiàn)象特別嚴重，氫致斷裂大都需要經過一定的孕育期。對于汽車主機廠來說，一旦在主機廠以外的整車上有零件發(fā)生氫脆，就意味著這是一個系統(tǒng)性、批量性的質量事故，涉及面較廣，召回 和返修的成本也都較高。對于供應商來說，則面臨著零部件大批量的更換和主機廠的索賠。因此，對 汽車零部件的氫脆進行分析并提出切實可行的預防 措施意義重大。需要強調的是，該文并不對原材料 冶煉中產生的氫致?lián)p傷缺陷進行分析。

1 氫脆機理

1.1 滲氫途徑
滲氫的主要途徑有兩個
(1)由表面前處理中的酸洗工藝導致的滲氫， 它主要通過兩個環(huán)節(jié)引人氫。一是鋼與酸洗液之間 發(fā)生如下化學反應：

其中，一部分氫以氫原子形式進人到鋼材內部，另一 部分以氫分子的氣體形式逸出。二是酸洗液發(fā)生如下電離反應：

H+以自由離子狀態(tài)進人到金屬內部，然后擴散到金屬的晶格中。
(2)由電鍍工藝導致的滲氫。對汽車零件進行 電鍍時，鍍件陰極有氫離子還原為氫原子的反應：

這個反應造成析氫，部分氫會以原子狀態(tài)滲人到金屬內部。

1.2形成機理[1]

金屬中的位錯、晶界、夾雜物與基體的相界面、 氣孔等缺陷處都是氫原子容易偏聚的地方。此外，在缺口根部、微裂紋尖端處這些局部應力集中較高 的區(qū)域，一旦零件開始負載，氫原子便向這些區(qū)域擴 散、集中，發(fā)生局部氫濃度富集和偏聚，形成新的氫氣團。

當材料變形的應變速率較低時，氫氣團帶著位 錯運動而運動，位錯落后于氫氣團，氫氣團對位錯起“釘扎效應”，使位錯不能自由運動，引起材料的局部 硬化。在外力的持續(xù)作用下，材料變形的應變速率 加快，不斷生成新位錯，這些新位錯又形成新的氫氣 團，當運動中的位錯和氫氣團遇到障礙時，則產生位錯的疊加、塞積和氫氣團的聚集。當應力大于材料 強度的臨界值時，在局部硬化區(qū)和位錯的塞積端部 就會形成微裂紋尖端，從而在此處又產生了新的應 力集中、新的氫富集、新的位錯與氫氣團、新的位錯被釘扎，如此循環(huán)反復，導致裂紋不斷的形成和擴 展，直至零件脆斷。

需要特別指出的是，當材料變形的應變速率較 高大于某一臨界值時,氫氣團運動跟不上位錯運動， 氫氣團落后于位錯，位錯反過來對氫氣團起“釘扎效 應”，這時零件不會發(fā)生氫脆，只會發(fā)生一般性的機 械斷裂。換句話說，氫脆的爆發(fā)是有一個應力區(qū)間 的，超過其上限應力或低于其下限應力時，均不會發(fā) 生氫脆[1]。

2 氫脆的斷口特征

2. 1宏觀形貌

氫脆斷口宏觀形貌的主要特征有:①斷口具有 脆性斷裂特征，無宏觀塑性變形，斷口平齊，有時伴有放射狀花樣;②斷面干凈、新鮮，但是比較粗糙，氫脆斷裂區(qū)呈結晶顆粒狀，色澤較明亮，非氫脆斷裂 區(qū)呈暗灰色纖維狀，并伴有不明顯的剪切唇邊；③傾斜斷口并對著光線慢慢轉動，斷口上呈現(xiàn)閃閃反 光的小平面。這些小平面是無序多晶體沿晶粒內部某些特定的晶體學平面劈裂后，光線照在這些晶面 后，晶面對光線的反射所造成的。

2.2微觀形貌

由于受力加載前并不存在裂紋源，即裂紋源的 萌生與持續(xù)應力有關。通常情況下，裂紋源不是在零件表面生成，而是在次表層的微裂紋尖端三向應 力區(qū)域起源、成核和擴展。因而氫脆斷口微觀形貌 的主要特征有：①以沿晶脆性斷裂為主，少有穿晶 或是二者混合的方式[2]，斷裂區(qū)典型斷口為沿晶界發(fā)生的沿晶脆性斷裂，晶粒晶界輪廓鮮明，斷口的晶 面平坦，沒有附著物，有時可見白亮的、不規(guī)則的細 亮條，這種線條是晶界最后斷裂位置的反映，并存在大量的雞爪形撕裂棱，非延遲斷裂區(qū)則多為韌窩撕裂形貌;②顯微裂紋呈斷續(xù)而曲折的鋸齒狀，裂紋一般不分叉;③高倍掃描電鏡下可見在晶界周圍伴 有顯微氣孔、二次裂紋、發(fā)線花紋或雞爪狀花紋。

3氫脆的表現(xiàn)形式

氫脆的主要表現(xiàn)形式有:①在斷裂瞬間，零件 受到的是一持續(xù)的靜應力，這個“靜應力”是一個低應力，它遠低于材料的屈服極限應力；②在時間上 表現(xiàn)為延遲斷裂，需要經過一段時間的孕育期，零件 才會以發(fā)生靜態(tài)脆性斷裂的形式表現(xiàn)出來;③在零 件數(shù)量上表現(xiàn)為數(shù)目多、批次性的斷裂，絕非個別、偶然的現(xiàn)象;④室溫條件下氫脆敏感性最大[3]。

光成鉚釘規(guī)格：開口型抽芯鉚釘，封閉型抽芯鉚釘，內鎖型拉絲鉚釘，外鎖型拉絲鉚釘，單鼓型抽芯鉚釘，雙鼓型抽芯鉚釘，防水型燈籠鉚釘，海馬鉚釘，氣動鉚槍及相關緊固件。

4影響氫脆的因素

影響氫脆的因素主要有:

①與材料強度級別相 關，即材料的屈服強度?越高，其氫脆傾向越嚴重；

②零件的顯微組織狀態(tài)對氫脆敏感性有很大影響， 具體表現(xiàn)為材料的強度和硬度越高，其氫脆敏感性 越高，熱力學不穩(wěn)定組織的氫脆敏感性較大，如淬火 馬氏體比回火馬氏體對氫脆更敏感；

③與鍍層金屬的吸氫程度有關，如鍍鉻層的吸氫能力較大，高強 度的零件應防止鍍鉻，鍍鋅層的鐵族元素吸氫程度 次之;

④與零件表面處理工藝有關，以螺栓為例，8. 8級螺栓鍍鋅一般不會發(fā)生氫脆，10. 9級螺栓不 宜做鍍鋅處理，10. 9和12. 9級的螺栓多采用達克 羅工藝處理，10. 9和12. 9級的螺栓在磷化處理后 必須進行去氫處理;

⑤受氫致?lián)p傷越嚴重，零件的氫脆傾向就越嚴重，斷裂的孕育期通常也較短。

5氫脆的預防

對于10.9級及以上的外螺紋緊固件、表面淬硬 的自攻螺釘以及帶有淬硬鋼制墊圈的組合螺釘?shù)攘?nbsp;件，在電鍍鋅后必須進行去氫處理。具體工藝如下: 將鍍件放在烘箱或回火爐中，在200?230°C下保溫 3?12h或更長時間，在熱力學作用下，使氫有足夠 長的時間從晶格中逸出。注意事項有：去氫處理一 定要及時，且要在鈍化工藝前進行;在烘箱或回火爐中，零件應盡量避免堆放在一起，宜采用平放、層層 鋪開的方式。

6氫脆的檢查

以螺栓為例，螺紋緊固件可采用旋緊的辦法，在 專用夾具上，旋到使螺桿承受相應的工藝裝配扭矩時，保持48 h，松開后螺紋緊固件不產生斷裂即可。

7典型的氫脆案例

7.1 8.8級螺栓的氫脆

螺栓材料為ML35鋼，工藝情況為淬火、回火 以及電鍍鋅表面處理;斷口微觀形貌為沿晶+顯微氣孔+發(fā)線花紋，顯微組織為屈氏體;硬度要求值為253?319 HV，實測硬度值為451,453和457HV。

一般認為，8.8級螺栓電鍍鋅后不會發(fā)生氫脆， 不必進行去氫處理。但由于該螺栓的實際強度值遠 遠高于8.8級螺栓強度值的上限,導致其在安裝緊 固一段時間后發(fā)生氫脆斷裂。

7.2機油標尺的氫脆

機油標尺材料為65Mn鋼，工藝情況為淬火、回 火以及電鍍鋅表面處理;斷口微觀形貌為沿晶+顯微氣孔+發(fā)線花紋+氫氣泡，顯微組織為回火屈氏 體;硬度要求值為40?45HRC，實測硬度值為42， 43和43 HRC。

雖然該零件符合定義的技術要求，但由于去氫不徹底，盡管機油標尺在機油管內呈小角度彎曲受力狀態(tài)，但還是發(fā)生了氫脆。

7.3自攻螺釘?shù)臍浯?

自攻螺釘材料為10B21鋼，工藝情況為淬火、回火、滲碳以及電鍍鋅處理;斷口微觀形貌表層為沿晶+二次裂紋+顯微氣孔+發(fā)線花紋，心部為韌窩,顯微組織為馬氏體+索氏體+少量鐵素體;表面硬 度要求值>600 HV，實測表面硬度值為690,692和695HV，心部硬度要求值為280?390HV,實測心 部硬度值為284,286和292 HV。

由于去氫不徹底和滲碳層氫脆敏感性較高，導 致攻人鋼板的自攻螺釘發(fā)生了氫致開裂。

7.4 10. 9級螺栓墊片的氫脆

墊片材料為65Mn鋼，工藝情況為淬火、回火以 及達克羅表面處理;斷口微觀形貌為沿晶+二次裂 紋十顯微氣孔+發(fā)線花紋，顯微組織為回火屈氏體?’ 硬度要求值為40?45HRC;實測硬度值為42，43和43HRC。

由于生產廠家未嚴格執(zhí)行達克羅生產工藝，用 酸洗代替了噴丸清洗，導致高強度墊片氫致斷裂。

8 結語

依據(jù)斷口形貌是否具有脆性斷口、沿晶斷裂、顯 微氣孔、二次裂紋和發(fā)線花紋等特征可以判斷汽車零部件是否發(fā)生了氫脆，由上述氫脆機理和主要影 響因素可知，對高強度汽車零部件必須進行及時有 效的去氫處理。

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