汽车工业用紧固件热处理后的氢脆现象

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。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（≤35HRC）的紧固件一般应至少烘烤4小时；同样的镀层，但硬度水平较高（≥36HRC）的紧固件一般应至少烘烤8小时。曾有建议指出硬度在31~33HRC之间的紧固件应烘烤8小时；硬度在33~36HRC之间的紧固件应烘烤10小时；硬度在36~39HRC之间的紧固件烘烤12小时。硬度在39~43HRC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。A.W.GrobinJr.认为，当镀层的厚度超过2.5μm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。

　　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。