螺栓的氫脆斷裂
氫脆斷裂的種類很多，主要分為氫蝕斷裂、白點(diǎn)斷裂、氫化物致脆斷裂和氫致延滯斷裂。螺釘氫脆斷裂通常特指是氫致延滯斷裂：氫原子侵入螺釘?shù)幕w材料，螺釘擰緊后，即螺釘沿軸線承受一定靜載荷（拉伸應(yīng)力），經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，突然發(fā)生脆性斷裂。螺釘氫脆斷裂是常見(jiàn)的螺釘失效模式。
螺釘氫脆斷裂通常發(fā)生于經(jīng)過(guò)熱處理和電鍍處理的高強(qiáng)度普通螺紋螺釘和表面硬度較高的自攻螺紋螺釘，大多發(fā)生在螺釘頭與螺桿或光桿與螺紋交接的部位。螺釘氫脆斷裂一般在螺釘組裝后48小時(shí)內(nèi)發(fā)生。
判定螺釘斷裂是否為氫脆斷裂最直觀的方法是觀察斷口形貌。用肉眼或低倍放大鏡宏觀觀察：螺釘氫脆斷裂斷口與最大正應(yīng)力方向基本垂直，斷口平齊，無(wú)明顯的塑性變形，斷面明顯可分成裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)兩個(gè)區(qū)域，裂紋源區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀，顏色呈暗灰色，裂紋源區(qū)從螺紋的根部開(kāi)始，沿著螺紋旋轉(zhuǎn)的方向開(kāi)裂；裂紋擴(kuò)展區(qū)顏色呈銀灰色，可見(jiàn)放射狀條紋，條紋收斂于裂紋源區(qū)。用掃描電鏡或電子顯微鏡微觀觀察：裂紋源區(qū)呈沿晶斷裂（晶界間存在微裂紋）形貌，并存在沿晶二次裂紋，晶粒輪廓鮮明，呈冰糖狀，晶粒表面存在大量的雞爪痕，裂紋擴(kuò)展區(qū)主要呈準(zhǔn)解理斷裂（在正應(yīng)力作用下產(chǎn)生的穿晶斷裂，通常沿一定的嚴(yán)格的晶面分離，同時(shí)伴隨一定的塑性變形痕跡）形貌，部分區(qū)域存在韌窩（小凹坑）及沿晶斷裂形貌。
螺釘基體材料的氫含量也是判定是否為氫脆斷裂的重要依據(jù)。氫含量可用氧氮?dú)浞治鰞x測(cè)得，主要是看含氫量相對(duì)于合格的螺釘或電鍍處理前的螺釘是否有顯著增加。碳鋼材料允許的氫含量尚無(wú)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，但氫對(duì)碳鋼材料會(huì)造成損害是確定無(wú)疑的，含氫量的多寡僅表現(xiàn)為對(duì)碳鋼材料損傷程度的差別。
螺釘?shù)臍浯鄶嗔褭C(jī)理非常復(fù)雜，自20世紀(jì)40年代螺釘氫脆斷裂問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其斷裂機(jī)理一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，但至今還是沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)知。比較有名的理論有四種：氫壓理論、氫表面吸附理論、晶格脆化理論和位錯(cuò)理論。其中位錯(cuò)理論能相對(duì)較好地解釋螺釘氫脆斷裂的特點(diǎn)，位錯(cuò)理論認(rèn)為：當(dāng)溫度低于某一臨界溫度時(shí)，基體材料中的氫在基體形變過(guò)程中形成某種氣團(tuán)。當(dāng)基體形變速度比較低，且溫度又不是太低的情況下，這氣團(tuán)將伴隨位錯(cuò)而運(yùn)動(dòng)，它距位錯(cuò)有一定距離，但與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度又相適應(yīng)，從而對(duì)位錯(cuò)起釘錨作用，使位錯(cuò)不能自由運(yùn)動(dòng)，因此產(chǎn)生局部的加工硬化。在外力作用下，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界或其他障礙物時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)在該處的堆積和氫在該處的富集，如果外力足夠大，則在位錯(cuò)堆積的端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，最后導(dǎo)致基體開(kāi)裂。
造成螺釘氫脆斷裂的主要因素有基體材料的氫脆敏感性、螺釘?shù)谋砻鏍顩r、螺釘冷加工和熱處理后的殘余內(nèi)應(yīng)力、制造過(guò)程中侵入螺釘基體材料的氫、環(huán)境溫度、螺釘組裝后承受的外加載荷等等。
碳鋼材料的氫脆敏感性與其強(qiáng)度息息相關(guān)，強(qiáng)度越高氫脆敏感性越高。強(qiáng)度與碳鋼的含碳量和顯微組織有關(guān)。實(shí)驗(yàn)和事實(shí)證明，珠光體組織、鐵素體組織的氫脆敏感性遠(yuǎn)低于馬氏體組織，網(wǎng)狀分布的高碳馬氏體組織的氫脆敏感性最高。電子產(chǎn)品常用的普通螺紋螺釘不需要熱處理，強(qiáng)度等級(jí)較低，其材料顯微組織中大部分都是鐵素體或珠光體組織，氫脆敏感性較低，一般不存在氫脆斷裂問(wèn)題；高性能普通螺紋螺釘或自攻螺紋螺釘必須熱處理，其材料顯微組織大部分為馬氏體組織或高碳馬氏體組織，氫脆敏感性較高，需要考慮氫脆斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。碳鋼材料的強(qiáng)度與硬度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用硬度來(lái)表現(xiàn)碳鋼材料的氫脆敏感性更為直觀和方便測(cè)得。一般來(lái)說(shuō)，硬度在38HRC左右時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)氫脆斷裂的危險(xiǎn)，硬度高于43HRC時(shí)，應(yīng)考慮去氫處理，硬度高于60HRC時(shí)，表面處理后必須立即進(jìn)行去氫處理。
生產(chǎn)實(shí)踐表明，螺釘電鍍前的酸洗工序和電鍍工序是制造過(guò)程中氫侵入基體材料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且不可避免。可靠的對(duì)策是在螺釘電鍍后增加去氫處理工序。一般來(lái)說(shuō)，螺釘冷加工和熱處理后多少都有殘余內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)氫侵入螺釘基體材料，一段時(shí)間后，在殘余內(nèi)應(yīng)力的作用下，螺釘基體材料即可能形成晶界微裂，微裂紋一旦形成就不會(huì)愈合，因此，去氫處理必須在晶界微裂形成之前進(jìn)行，GB和ISO標(biāo)準(zhǔn)推薦去氫處理最好在螺釘電鍍處理后1小時(shí)內(nèi)進(jìn)行。
去氫處理實(shí)際上是個(gè)烘烤過(guò)程，在190～230攝氏度的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)烘烤螺釘，將螺釘基體材料中的氫蒸發(fā)和不可逆收集而釋放氫原子。盡管去氫處理只能除去很小的一部份氫，但去氫處理可使基體材料中的氫重新分布，并使之不易聚集到螺釘應(yīng)力集中部位。烘烤時(shí)間取決于螺釘規(guī)格、材料的硬度、鍍層類型和鍍層厚度。烘烤時(shí)間通常在2～24小時(shí)內(nèi)選取，很多標(biāo)準(zhǔn)都有推薦的烘烤時(shí)間，如ASTM B 850規(guī)定自攻螺釘?shù)淖疃毯婵緯r(shí)間為2小時(shí)，自攻鎖緊螺釘?shù)淖疃毯婵緯r(shí)間為4小時(shí)。
值得注意的是，完整的螺釘電鍍處理工序還包括鈍化處理，而電鍍鈍化膜只能承受60～70攝氏度的溫度，因此，去氫處理必須在電鍍之后、鈍化之前完成，否則，去氫處理會(huì)破壞電鍍鈍化膜。
經(jīng)過(guò)去氫處理的螺釘應(yīng)進(jìn)行氫脆測(cè)試，以檢驗(yàn)去氫是否徹底，各國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都有明確定義的氫脆測(cè)試方法。自攻螺釘通常以破斷扭矩的80%作為擰緊扭矩將螺釘旋入測(cè)試鋼板上的標(biāo)準(zhǔn)光孔，保持24小時(shí)，將螺釘松退后再次以原擰緊扭矩旋入，保持24小時(shí)后，松退螺釘，目視檢查螺釘是否破斷。普通螺紋螺釘或自攻鎖緊螺釘則以其擰緊扭矩旋入測(cè)試鋼板上的標(biāo)準(zhǔn)螺紋孔。測(cè)試普通螺紋螺釘時(shí)，如使用4～6度的墊楔板，則測(cè)試結(jié)果更可靠。
還有一種非常簡(jiǎn)便實(shí)用的方法可以測(cè)試去氫效果：燒杯盛取適量的（完全浸沒(méi)待測(cè)螺釘）液體石蠟，加熱并控制溫度在100～190攝氏度，在此溫度區(qū)間保持5分鐘，以去除石蠟中的水分，將螺釘油跡和水分清除干凈，放入石蠟中，若10秒內(nèi)螺釘出現(xiàn)氣泡，則表明螺釘還含有一定量的氫，沒(méi)有氣泡，則表明螺釘去氫效果良好。
高強(qiáng)度螺栓氫脆的發(fā)生與預(yù)防.pdf