某高强度合金钢螺栓氢脆断裂失效分析及预防措施

张军 周斌

(1.海军装备部,陕西 西安710000;2.航天科工集团第六研究院,内蒙古 呼和浩特 010000)

氢脆断裂是紧固件产品失效机理中比较常见的一种,早在100多年前英国科学家Johnson就通过试验阐述了钢的氢脆现象。它是由于氢原子渗入金属内部原子空隙中,导致金属原子间结合力变弱,在高氢区萌生出裂纹并扩展,从而使金属零件在低于材料屈服极限的静应力作用下导致的脆断[1]。氢脆断裂具有延迟性、突发性和不可逆特征,多为批次性发生,危害性较大。产生氢脆断裂必须具备以下三个条件：

(1)氢的渗入。只有氢渗入金属材料基体才能导致氢脆。依据GB/Z 41117—2021《紧固件 钢制紧固件氢脆基本原理》,氢脆可分为内因型氢脆和环境型氢脆,内因型氢脆是由炼钢、加工(酸洗和电镀)等工艺过程中残留在材料内部的氢导致的[2]。

(2)发生氢脆失效的材料具有氢脆敏感组织。金属材料的组织不同,它的氢脆敏感性不同,当材料具有氢脆敏感性大的组织时,则容易发生氢脆。材料组织对氢脆敏感性从大到小的顺序为马氏体、上贝氏体(粗大贝氏体)、下贝氏体(细贝氏体)、索氏体、珠光体、奥氏体。

(3)存在拉应力作用。依据GB/Z 41117—2021《紧固件 钢制紧固件氢脆基本原理》,高强度钢的广义定义是抗拉强度(Rm)超过1000 MPa[2]。高强度钢承受拉应力时,如高强度紧固件承受拧紧力矩产生的拉伸载荷时,应力将导致钢中的氢原子扩散(迁移)至最大应力处(如第一扣旋合螺纹或螺栓头下圆弧)。随着氢在这些位置的聚集,通常延展性较好的钢会逐渐变脆。最终,某些位置上应力集中和氢的聚集将导致氢促进(脆性)微观开裂。氢随着张开裂纹尖端的扩散而迁移,导致脆性微观开裂继续增长,直到紧固件过载并最终断裂[3]。

本文针对某高强度合金钢螺栓在装配后的静止存放期间发生的延迟断裂现象,开展失效原因分析,通过断裂螺栓外观及断口宏观、微观观察,硬度及金相等检测,确定螺栓为氢脆断裂。对螺栓发生氢脆的原因进行分析及验证,并针对性制定预防措施,以避免同类问题再次发生。

1 失效分析

1.1 螺栓断裂情况描述

某螺栓为某型发动机接头连接紧固件,材料采用高强度合金钢30CrMnSiNi2A,热处理后强度达1600 MPa左右,螺栓组织为下贝氏体,氢脆敏感性相对偏高。表面进行电镀锌镍处理(Fe/Ep·Zn-Ni7·c2C)。螺栓结构尺寸见图1。

螺栓装配使用时,拧紧力矩45 N·m,该螺栓装配到发动机上后,在发动机自然储存期间,无任何其他外力作用下,螺栓在螺杆部位自行发生断裂,螺栓装配部位结构及断裂情况示意见图2,断裂后螺栓形貌见图3。

图2 螺栓装配部位结构及断裂情况示意图Figure 2 Schematic diagram of structure and fracture of assembly parts of the bolt

图3 螺栓在螺杆部位断裂后形貌Figure 3 Morphology of bolt after fracture at the screw part

1.2 断裂失效原因分析

对断裂螺栓进行结构尺寸检测,螺栓断裂位置距螺杆尾部约15 mm,此处位于螺栓螺纹收尾部,属应力集中区域。用放大镜对螺栓断口进行检查,断口较为平齐,未见明显缩径特征,无宏观塑性变形,有放射花样。断面干净,无腐蚀产物。按照断口形貌分为三个区域(见图4),I区为扩展初期,根据扩展棱线收敛方向判断,断裂起源于表面,向对侧扩展,源区未见明显缺陷。I区宏观可见反光小刻面,II区宏观可见明显扩展棱线,III区为剪切唇区。

(a)断口整体形貌 (b)源区形貌

将故障螺栓置于扫描电镜下观察,对故障螺栓断口位置进行微观观察,见图5。I区主要为沿晶特征,晶面粗糙,可见撕裂棱线、微孔等特征,见图6(a);II区微观呈准解理+韧窝混合特征,见图6(b);III区微观呈韧窝特征,见图6(c)。

图5 故障螺栓断口微观低倍形貌Figure 5 Microscopic low magnification morphology of fracture of the faulty bolt

(a)I区沿晶断裂特征形貌

对螺栓断口进行能谱半定量分析,结果表明断口3个区域的元素成分及含量接近,符合该螺栓高强度钢材料特征;I区断口晶面上未见Ti(C、N)粒子元素,未见P、S、As、Sb、Sn等杂质元素;3个区域的元素成分及含量具体见表1。

表1 断口晶面能谱分析结果(质量分析数,%)Table 1 Interplanar energy spectrum analysis results of fracture(mass fraction)

故障螺栓洛氏硬度均值46.6 HRC,满足其指标42.5～47.5HRC要求;氢含量检测结果为2×10-6;组织为贝氏体组织,表面镀层组织完整。

根据断裂螺栓检测及断口失效分析结果可知：故障螺栓断裂位置位于螺纹收尾处;断口断裂源区域呈现沿晶断裂特征,源区无材料缺陷和原始裂纹缺陷;故障螺栓氢含量检测结果为2×10-6;故障螺栓组织未见异常,硬度满足技术要求;初步判定为氢脆断裂。

2 氢脆原因分析及验证

根据断裂失效原因,确定本高强度合金钢螺栓断裂问题为氢致延迟断裂。由于螺栓在装配、转运环节均未经历高氢环境,故可排除环境型氢脆;内因型氢脆则与螺栓原材料、电镀过程有关。

螺栓制造流程为：钢棒料下料→退火去应力(温度690℃)→机加工→等温淬火(加热温度900℃,等温温度320℃,水冷,带随炉性能试样)→消除应力→外表面磁粉检测→表面电镀锌镍(电镀后除氢,温度190℃,持续时间10 h,带随槽氢脆试样[4])→外观检查、螺纹规检。

根据形成氢脆断裂故障的必要条件,按照螺栓生产过程及使用情况,梳理出可能导致螺栓出现氢脆的因素。经过分析,梳理出14项可能存在的问题,分别为：螺栓装配时拧紧力矩过大、壳体接头螺纹孔不合格、装配螺纹孔和光孔同轴度差、螺栓原材料不合格、螺栓机加不合格、螺栓热处理过程异常、螺栓表明存在裂纹等缺陷、螺栓电镀前消除应力过程异常、螺栓电镀前除油过程异常、螺栓电镀后除氢过程异常、螺栓电镀用镀锌镍溶液成分不合格、螺栓电镀用镀锌镍溶液一致性差、螺栓电镀时镀锌镍溶液累计电镀面积超标、螺栓电镀时镀锌镍工艺参数不合理。通过对上述可能存在的问题进行逐一分析排查,最终确定螺栓发生氢脆是由于螺栓电镀时镀锌镍溶液累计电镀面积超标。

螺栓电镀锌镍过程为螺栓浸在锌镍溶液中作为阴极,石墨棒作为阳极,接通电源后,在螺栓表面就会沉积出锌镍合金镀层,发生还原反应：Me2+(锌、镍阳离子)+2e-→Me(锌镍合金镀层);副反应历程为：电化学步骤H++e-=Hads,电化学脱附步骤H++Hads+e-=H2[5]。电镀生产过程中随着电镀产品的增加,电镀槽液累积电镀面积增大,产品通过自身溶解进入槽液当中的Cr、Fe等杂质含量相应增多,导致副反应加剧。电镀过程副反应越强,电镀时产品作为阴极,在强电流作用下,槽液中的金属正离子向阴极聚集的同时,氢离子也向阴极聚集的越多。产品表面析氢量越大,氢离子在产品表面还原后,一部分形成氢气逸出,另一部分则以氢原子的状态渗入镀层及产品基体中。产品在镀液中吸收的氢原子增多,从而导致渗氢量增加。在高氢含量条件下,产品氢脆敏感性较大,容易导致螺栓发生氢脆。失效螺栓属高强度紧固件,氢脆敏感性大,在电镀过程中零件吸氢的能力强。螺栓装配后由于装配预紧力的作用,处于静载荷的持续拉应力作用下,螺纹收尾部存在应力集中点,随着时间的推移,螺栓内部的氢原子向螺纹收尾位置聚集,最终使螺栓在收尾处发生氢脆断裂。

为了验证槽液不同电镀面积对螺栓氢脆性能的影响,分别选取电镀面积达4000 dm2、4300 dm2、4500 dm2、5000 dm2、8000 dm2时的电镀槽液电镀螺栓,电镀工艺参数：电流密度3.5 A/dm2,电镀时间9 min。将电镀后的螺栓依据HB 5220.50《高温合金化学分析方法 第50部分：脉冲加热-热导法测定氢含量》[6]和HB/Z 209《金属材料气体分析用试样的取样规范》[7]标准要求,取样测试氢含量,试验结果见表2。

表2 不同电镀面积槽液电镀螺栓氢含量测试结果Table 2 Hydrogen content test results of electroplated bolts in bath solutions of different electroplating areas

由氢含量检测结果可知,随着电镀槽液累计电镀面积的增加,所电镀螺栓中氢含量呈增长趋势,槽液电镀面积增加会导致螺栓氢含量增加,从而发生氢脆的机理得到验证。

3 预防措施

氢脆不能消除,只能预防,材料强度越大,其氢脆敏感性也越大。故针对本高强度合金钢螺栓发生氢脆断裂问题,采取以下预防措施,进一步减小氢脆风险：

(1)严格控制螺栓电镀时电镀槽液的累计电镀面积,避免因槽液杂质含量过高导致螺栓电镀过程副反应加剧,螺栓内部渗入过量的氢。根据对产品电镀情况的摸索积累,控制电镀时电镀槽液的累计电镀面积不得大于4000 dm2(电镀产品表面积总和)。

(2)参照GB/T 19350—2012《金属和其他无机覆盖层为减少氢脆危险的涂覆后钢铁的处理》标准要求[8],延长螺栓电镀后除氢时间,由10 h延长至24 h;缩短电镀后除氢的间隔时间,由不大于3 h缩短至不大于2 h;最大限度地降低螺栓电镀后氢含量。

为验证预防措施有效性,制备5组高强度合金钢材料螺栓,分别在累计电镀面积小于4000 dm2的电镀槽液中进行电镀,电镀工艺参数：电流密度3.5 A/dm2,电镀时间9 min。电镀后除氢时间间隔由3 h缩短至2 h以内,除氢温度200℃,除氢时长由原来的10 h延长至24 h。将电镀后的螺栓依据HB 5220.50和HB/Z 209标准要求测试氢含量,试验结果见表3。

表3 采取预防措施后的螺栓氢含量测试结果Table 3 Hydrogen content test results of bolts after taking preventive measures

螺栓电镀时带随炉试样,按HB 5067.1—2005《镀覆工艺氢脆试验》[9]要求开展缺口试样持久拉伸试验,以验证螺栓氢脆性能。按标准要求,氢脆试样在静载荷(试样缺口截面积×试样平均抗拉强度值的75%)下持久拉伸200 h不断裂,则评定氢脆性能合格。经测试5组螺栓氢脆性能均合格,具体结果见表4。

表4 采取预防措施后的螺栓氢脆性能测试结果Table 4 Hydrogen embrittlement performance test results of bolts after taking preventive measures

依据GB/T 3098.17—2000《紧固件机械性能检查氢脆用预载荷试验 平行支承面法》[10],对电镀后螺栓本体进行氢脆性能测试。按照螺栓强度计算,拧紧力矩120 N·m时达到螺栓屈服下限,螺栓使用时的拧紧力矩为45 N·m,试验时为加严考核,力矩使用85 N·m。经试验验证,5组螺栓本体氢脆性能考核均合格,85 N·m拧紧力矩下持续加载48 h未发生螺栓断裂,对试验螺栓进行表面磁粉检测,未见表面缺陷。

试验结果表明,螺栓电镀过程采取预防措施后,氢含量明显降低,氢脆性能满足要求,措施有效性得以验证。

4 结论

针对某高强度合金钢螺栓发生延迟断裂开展失效原因分析,根据断裂螺栓外观及断口宏观、微观观察,硬度及金相等检测,确定螺栓为氢脆断裂。对螺栓发生氢脆的原因进行分析并开展验证工作,针对性制定预防措施并进行措施有效性验证。通过上述研究,得出结论如下：

(1)螺栓断裂故障是由于螺栓电镀时槽液电镀面积超标,槽液中杂质含量偏高导致螺栓电镀后氢含量增加,在持久载荷作用下氢向螺纹收尾应力集中点聚集,导致螺栓发生氢脆断裂。

(2)通过严格控制螺栓电镀时槽液累积电镀面积,及提高螺栓电镀后除氢效果的预防措施,可有效规避高强度合金钢螺栓的氢脆风险。