动车钢件蝶（锥）形垫圈氢脆断裂分析

周志强，苟曼曼，周承锐，李田功

（中车永济电机有限公司，山西永济044502）

1 概况

动车电机吊挂处蝶（锥）形垫圈断裂失效，会对动车行车安全构成严重威胁。氢脆断裂为断裂失效方式之一。氢脆现象是指溶于钢种的氢，聚合为氢分子，在钢内部形成细小的裂纹，造成应力集中，超过钢的强度极限，又称白氢脆现象点。动车电机吊挂处蝶（锥）形垫圈所用材料为65Mn，为了分析该65Mn蝶（锥）形垫圈氢脆断裂机理，首先对蝶形垫圈的不同制造工艺及引起垫圈断裂的因素做简要分析，以便更好地分析氢脆断裂氢的来源及其氢脆断裂机理。根据钢件吸氢原理，在零件制作过程的选材，制作工序，加工方法和如何去氢等方面给出方向和方法，以减少氢致开裂造成的重大损失，保证动车的运行安全。

1.1 失效钢垫片外形图貌

失效钢垫片外形图貌以及裂纹情况如图1所示。

1.2 垫片材料及性能

垫片材料为GB65Mn，化学成分如表1所示。机械性能见表2.

图1 失效垫圈实物照片

表1 GB65Mn材料成分（质量分数，%）

表2 GB65Mn材料机械性能

1.3 钢件垫片制作工艺流程

钢件垫片制作工艺流程为：

淬火+回火——化学除油——热水洗——水洗——电解除油——热水洗——水洗——酸洗——水洗——电镀锌铁合金——水洗——水洗——出光——钝化——水洗——干燥。

2 钢件垫片氢脆开裂原因分析

2.1 氢的来源分析

通常情况下，随着硬度的提高、冷作硬化程度的增加和钢零件的含碳量和P、S、Sn、As有害元素的增加，在酸洗和电镀过程中，氢的溶解度和因此产生的吸收氢的总量也将增加。加工、转序运输贮存不当、服役环境恶劣等也可能存在渗氢的可能，但这种影响通常不足以引起氢脆开裂失效。因此，氢脆中的氢主要来源于酸洗和电镀。

2.1.1 酸洗

从电镀工艺中可以看出，电镀之前垫圈必须经过酸洗，在酸洗过程中垫圈除了表层氧化物与酸发生化学反应外，Sn、Pb等金属也会和酸反应，产生的氢会大量进入金属中，而酸洗液的成分、酸洗温度、酸洗时间以及合金成分等都能影响氢含量，酸洗液的成分应尽量采用稀释过的盐酸并添加缓蚀剂和表面活性剂，来减少酸液对金属的腐蚀。控制酸洗的温度，在高温的氢环境下，会产生高温氢腐蚀。酸洗的时间要严格控制，钢件长时间与腐蚀液接触，导致电化学腐蚀的发生，而使氢原子侵入钢件。尤其严禁使用强酸和阴极除油法。强酸对金属有强烈腐蚀作用，破坏金属表面光洁度，做为阴极在电化学腐蚀反应中有氢析出，部分原子氢进入钢材料内部使局部氢富集。

2.1.2 电镀电化学反应

电镀的同时也存在析氢过程，因此电镀后在镀层中和垫圈内部将含有大量的氢。电镀锌时，在垫圈（阴极）上首先析出的不是锌而是一种不稳定的氢化物，其中一部分分解成原子氢进入垫圈内。

2.1.3 除氢不彻底

虽然垫圈在镀锌后都要进行除氢处理，但除氢工艺有偏差，残留氢超标，则有造成氢脆的可能。除氢的工艺温度、保温时间和最佳除氢时机很关键。

时间短温度低，氢不能去除彻底；电镀后超过1 h～2 h氢已侵入基体深处，也难以彻底去除。通常推荐的保温温度为（190±10）℃.温度过高会破坏镀层，也会使硬度降低，温度过低氢不能溢出。一般去氢保温超过4 h～6 h后残余氢含量降低缓慢，超过12 h基本不变。所以传统电镀和热镀锌后残留氢是必然的，只是要控制在安全合理的范围之内，即一般控制在（5～10）×10-6以下.

另有文献表明[6]：采用有效的驱氢工序驱散渗氢，可以减少氢脆应力。驱氢应在恒温箱中进行，驱氢温度一般为200℃～230℃，驱氢的最短时间一般为8 h～12 h.最佳时机选择在电镀锌后钝化前2 h内进行，停留时间越短越好。

2.2 氢脆断口一般形貌和组织

在扫描电镜下的垫圈氢脆断口形貌通常为冰糖状沿晶分离形貌，断口表面通常有二次裂纹，可见典型的鸡爪纹特征。金相组织通常为回火托氏体，如图2所示。

图2 鸡爪痕形貌特征金相100X

2.3 氢脆机理分析

2.3.1 影响零件氢脆敏感性的主要因素

影响零件氢脆敏感性的主要因素有：1）材料的特性；2）材料的致密度、内部缺陷；3）含氢量多少；4）强度、硬度；5）所受应力状况。材料对氢敏感性越高，材料缺陷越多，基体含氢量越高，脆性相越多，组织越粗大，强度越大，硬度越高，所受张应力越大，则越容易诱发氢脆断裂。

2.3.2 氢脆金属材料发生氢脆的条件

氢脆金属材料发生氢脆需要同时满足3个条件：1）有较强的氢敏感性；2）有集中拉应力；3）有氢的存在。失效垫圈基体内检测出残留较高浓度的氢，构成垫圈氢致开裂的内在条件。垫圈的金相组织为回火托氏体，属于会发生氢脆可能的组织形式。同时，垫圈硬度在45 HRC左右，说明垫圈强度很高，氢脆的敏感性与零件的强度成正比，该垫圈的氢脆敏感性较大。弹性垫圈在安装后承受着较大的应力，因而有可能发生氢脆[2]。

2.3.3 氢在金属中的运动

氢在金属材料基体的存在，是金属件发生断裂主要原因，金属基体氢含量一般在（5～10）×10-6以下，氢致裂纹的倾向不明显。而当失效垫圈中氢含量平均值高于（5～10）×10-6时，基体中的氢，遇到装配应力或动载荷时即发生氢的聚集，最终形成氢脆断裂。

从微观上分析，氢原子具有最小的原子半径（0.053 nm），所以易于进入金属内部晶格，随后在应力作用下，基体金属发生位错，导致氢向应力升高的部位迅速扩散聚集，由氢原子（H）变为氢分子（H2），即 H++e→H，2H→H2↑.

裂纹产生后迅速扩展，根据材料种类和含氢浓度的不同，裂纹扩展的速率也不同，最高的裂纹扩展速率可达声速。其机理是在氢聚集的部位发生的反应产生了巨大的体积膨胀效应，这种在晶粒边界或位错塞积处的膨胀效应就形成了裂纹[1]。

2.3.4 钉扎效应

在金属基体缺陷缺口根部、微裂纹尖端处这些局部应力集中较高的区域，一旦零件开始负载，氢原子便向这些区域扩散、集中，发生局部氢浓度富集和偏聚，形成新的氢气团。金属中的位错、晶界、夹杂物与基体的相界面、气孔等缺陷处都是氢原子容易偏聚的地方。

此外，当材料变形的应变速率较低时，氢气团带着位错运动而运动，位错落后于氢气团，氢气团对位错起“钉扎效应”，使位错不能自由活动，引起材料的局部硬化。在外力的持续作用下，材料变形的应变速率加快，不断生成新位错，这些新位错又形成新的氢气团，当运动中的位错和氢气团遇到障碍时，则产生位错的叠加、塞积和氢气团的聚集。当应力大于材料强度的临界值时，在局部硬化区和位错的塞积端部就会形成微裂纹尖端，从而在此处又产生了新的应力集中、新的氢富集、新的位错与氢气团、新的位错被钉扎，如此循环反复，导致裂纹不断地形成和扩展，直至零件脆断[1]。

2.3.5 GB65Mn垫圈氢脆原因分析

GB65Mn垫圈组织为回火托氏体组织和少量粒状碳化物，组织应小于4级。一般垫圈涂层相对完好，不会有明显锈蚀，也就说氢来源于环境腐蚀的可能性不大，更可能来源于原材料、热处理和表面处理过程。垫圈为蝶（锥）形弹垫，在服役状态时凸起面内圆边缘受张应力作用，晶格位错增值，并促使位错的运动，若氢含量超过5 ppm～10 ppm以上时，氢容易和位错交互作用，使得裂纹前沿塑性区急速向应力集中区富集。所以，应力更容易在垫圈张应力区首先聚集，达到临界点而开裂。产生氢致微裂纹后，微裂纹的尖端是应力集中区，氢原子便向裂纹尖端扩散聚集，使裂纹持续扩展直至垫圈开裂。

3 断裂失效垫圈实物分析

3.1 化学成分检测

化学成分检测结果见表3.

表3 实物化学成分 （质量分数，%）

实物基体化学成分符合要求。

3.2 硬度检测

硬度检测结果见表4.

表4 实物硬度检测结果

根据中国国家标准GB/T 230.1-2009“金属材料洛氏硬度试验第1部分，对垫圈进行洛氏硬度检测，芯部和表面硬度平均值分别为 46.0HRC、46.7HRC.

3.3 氢含量检测

氢含量检测结果见表5.

表5 实物氢含量检测结果

从表5可知，65Mn垫片H元素含量平均值为27.2 ppm，正常含量为5 ppm～10 ppm，所以含量偏高。

3.4 金相检测

金相检查结果见图3.

图3 金相检测结果500X

经金相显微观察，样品的组织为回火托氏体加少量粒状碳化物。

3.5 镀层界面能谱分析

图4为试样截面线扫描结果。

图4 试样截面线扫描结果

对能谱镀层进行分析，发现有的镀层完整，有的局部已脱落，镀层厚度范围约11μm～36 μm，镀层锌的防腐性能好，外界氢进入的可能很小。

3.6 综合检测结论

送检65Mn垫圈化学成分合格，硬度处于要求范围的中偏下，组织为回火托氏体，镀层厚度约11μm～36μm，防腐性能好，氢含量平均值为27.7ppm，偏高，具有氢脆开裂风险。

结果表明，垫圈的各项理化指标均在标准范围之内，唯有垫圈部件内的氢含量偏高，达到氢含量平均27.7 ppm，钢的含氢量在10 ppm之内时，钢件不会因含氢而产生有害裂纹。垫圈由于含氢量过高，垫圈的强度较高，对氢的敏感性加强，垫圈装配到高速运行的动车后，经过长期高速运行与震动，在应力的驱动下，使垫圈中的氢发生定向聚合，使得晶界强度降低，从而产生微观裂纹，裂纹产生后氢又聚集在裂纹尖端，使得裂纹尖端强度降低，裂纹继续扩展，当裂纹扩展至临界长度时，裂纹失稳扩展，垫圈发生断裂。

所以发生氢脆断裂的根本原因是垫圈中氢含量过高，诱因是运动过程中震动产生的应力。

4 氢开裂与钢种关系

试验已经证明，含有鉻、镍的高强度钢种对氢很敏感，碳含量较高的钢氢致开裂的倾向更大，低碳钢不易发生氢致开裂，组织致密的锻件比组织梳松的铸件更容易发生氢致开裂。氢原子渗透到钢的内部后，会降低晶粒间的原子结合力。氢致开裂的断口和其他脆性断口很相似，高强度材料容易出现沿晶断口，对于低碳钢在沿晶下断面上容易出现细小的发育不完整的韧窝，有人称为“鸡爪纹”。

图5 结晶断裂形貌1000X

图6 裂纹两侧形貌100X

氢致开裂具有滞后性，对于焊接结构件氢致开裂的发生具有突然性，会对人身和财产构成严重威胁，需引起高度重视。

5 去除钢件中氢含量的工艺方法

5.1 真空加热去氢法

将需除氢的构件放置在真空烘箱内，加热至200℃～250℃，保温4 h～8 h，随炉冷却至室温。

5.2 油中加热去氢法

将需除氢的构件放置在盛有耐高温的油槽中，加热至200℃～250℃，保温2 h～3 h，随炉冷却至室温。热油中能获得与烘箱中除氢同样的效果，受热均匀，对设备要求更为简单。

6 结论

1）氢含量高是钢件开裂的一个主要原因;

2）氢可在钢零件制造过程的主要工序侵入;

3）钢件中的氢可通过后续工艺措施进行控制预防；

4）真空去氢和油中加热去氢是钢件去氢的有效方法。