鈦合金緊固件的氫脆！

氫滲入金屬材料后，會(huì)導(dǎo)致金屬損傷，使金屬零件在低于材料屈服極限的應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂失效，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為“氫脆”。

合金鋼氫脆的主要表現(xiàn)形式，是前者，而鈦合金氫脆的主要表現(xiàn)形式，是后者。

合金鋼發(fā)生氫脆斷裂的機(jī)理是：當(dāng)一定量的氫滲入合金鋼材料后，以游離態(tài)氫原子、氫離子等形態(tài)在材料中游離，從低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)聚集，向材料中的氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷處聚集，互相結(jié)合形成氫分子，從而使氫的壓力增大。

當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，材料的微裂紋就會(huì)擴(kuò)大、延伸，以釋放壓力，而氫分子則以氫氣的形式逸出材料。

在拉應(yīng)力作用下，游離氫繼續(xù)向新擴(kuò)展的微裂紋聚集、增壓，使其繼續(xù)擴(kuò)展，最后演變成更大的裂紋。反復(fù)聚集，裂紋反復(fù)擴(kuò)展、增大、延伸，最終導(dǎo)致材料斷裂。整個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，這就形成了所謂的“延遲斷裂”。

鈦合金的氫脆的機(jī)理與特點(diǎn)不同于合金鋼，鈦合金中的氫不能以分子形態(tài)滲入鈦基體，而是與鈦合金表面接觸后，首先發(fā)生表面物理吸附和化學(xué)吸附(活性吸附)，氫分子離解出氫原子，氫原子便以極快的速度向鈦合金基體內(nèi)部擴(kuò)散。

當(dāng)吸氫量超過(guò)其最大溶解度時(shí)，擴(kuò)散到鈦中的氫原子就會(huì)以固溶狀態(tài)或氫化物形式存在。氫原子在鈦合金中擴(kuò)散后的分布并不是均勻的，而是有一定的“偏聚”。

與合金鋼類(lèi)似，材料的缺陷(如位錯(cuò)、晶界、沉淀相或夾雜物與基體相界面、氣孔、微裂紋等)是氫喜歡聚集的地方，往往也是氫脆的斷裂源。

第一類(lèi)氫脆的典型形式就是氫化物氫脆。含氫的α鈦發(fā)生冷卻或者含氫的β鈦共析分解時(shí)，都會(huì)析出新的化合物氫化鈦(TiH)。

氫化鈦是一種穩(wěn)定的脆性物質(zhì)，它與基體晶粒之間的結(jié)合力相對(duì)較弱，二者的彈性、塑性差異較大，受到應(yīng)力后的應(yīng)變不協(xié)調(diào)，基體晶粒與氫化鈦晶粒之間的界面就會(huì)產(chǎn)生微裂紋，這種裂紋一般沿晶間迅速擴(kuò)展、擴(kuò)大，最終導(dǎo)致材料斷裂。

第二類(lèi)氫脆與變形速度有關(guān)，氫脆敏感性隨變形速度的增加而下降。氫脆的裂紋源是在應(yīng)力和氫的相互作用下逐步形成的，其中有些是可逆的，有些是不可逆的?？赡嫘詺浯啻嬖谟?α+β)鈦合金中，是一種復(fù)雜的氫脆現(xiàn)象。

當(dāng)(α+β)鈦合金的溶氫量未超過(guò)極限溶解度時(shí)，氫處于固溶狀態(tài)，在此狀態(tài)下材料進(jìn)行低速變形，而后卸載、靜止，再進(jìn)行高速拉伸，材料的塑性可以得以恢復(fù)。但是對(duì)材料再進(jìn)行連續(xù)緩慢加載，或者持續(xù)施加靜載荷，延續(xù)一段時(shí)間后，材料就會(huì)發(fā)生突然斷裂(亦即“延遲斷裂”)。

如果對(duì)斷裂重新進(jìn)行常規(guī)的性能試驗(yàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)材料仍具有正常的塑性和瞬時(shí)強(qiáng)度，這種現(xiàn)象在鈦合金緊固件中很少見(jiàn)。

• 鈦合金在冶煉過(guò)程中，海綿鈦中的氫、含氫化合物以及冶煉、澆鑄等過(guò)程都會(huì)帶入氫或氫氣氛，這是氫進(jìn)入鈦合金的主要渠道。

• 鈦合金緊固件在機(jī)械加工過(guò)程中接觸到含氫介質(zhì)，包括水氣、脫模潤(rùn)滑劑、冷卻液等，都會(huì)使氫附到零件表面，進(jìn)而滲入材料內(nèi)部。

• 鈦合金緊固件在熱處理過(guò)程中接觸了含氫或含水的氣氛或淬火介質(zhì)。

• 鈦合金緊固件在除油、酸洗、陽(yáng)極氧化加工等過(guò)程中接觸了含氫介質(zhì)，其中酸洗對(duì)于氫脆敏感的高強(qiáng)度鈦合金來(lái)說(shuō)，吸氫效果更為顯著。

一般將以上除第1項(xiàng)之外的其余3項(xiàng)統(tǒng)稱(chēng)為“氫污染”。

從鈦合金氫脆機(jī)理的分析可知，鈦合金的氫脆主要取決于它吸氫的多少，或者說(shuō)他的氫含量。因此檢測(cè)鈦合金的氫含量就是判定鈦合金緊同件是否會(huì)發(fā)生氫脆的主要方法。

目前，國(guó)內(nèi)及國(guó)外的鈦合金緊固件標(biāo)準(zhǔn)一般將含氫量控制在125ppm以內(nèi)，基本能夠確保各類(lèi)鈦合金螺栓的氫脆安全性。

至于螺母、墊圈、環(huán)槽鉚釘(釘桿)等產(chǎn)品，只要在安裝時(shí)不發(fā)生大變形，其氫含量指標(biāo)可參考螺栓標(biāo)準(zhǔn)，取小于或等于125ppm即可；而對(duì)于安裝時(shí)需要大變形的普通鉚釘、螺紋空心鉚釘?shù)犬a(chǎn)品，可考慮加嚴(yán)控制，取小于或等于85ppm。

鈦合金氫含量的檢測(cè)方法很多，但目前只能按照相應(yīng)緊同件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，采用真空熔化法或者真空提取法。

具體操作是：在規(guī)定的特定部位取樣，碾碎成粉末后，放入密閉的坩堝容器中高溫加熱到2000℃左右，使材料中的氫全部析出，然后用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比對(duì)確定氫含量。

• 為了保證所測(cè)氫含量的準(zhǔn)確性，制備的試樣一定要保持清潔，清除緊固件表面所有異物，包括潤(rùn)滑層。潤(rùn)滑層中一般都含有高分子有機(jī)化合物(如環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等)，而這些物質(zhì)基本成分都是碳?xì)浠衔铩?/p>

  
  

  常溫下這些碳?xì)浠衔锊粫?huì)分解，而在2000℃的高溫環(huán)境中，碳?xì)浠衔锞蜁?huì)分解而析出氫，這就大大加氫的實(shí)測(cè)值，而這個(gè)實(shí)測(cè)值根本不能反映緊固件材料的實(shí)際氫含量。

• 鈦合金緊固件氫含量的檢測(cè)樣本取1件即可。多年的經(jīng)驗(yàn)表明，在同一檢查批中，各個(gè)樣件的檢查結(jié)果誤差大致在1ppm左右，非常一致。

根據(jù)鈦合金緊固件的氫脆機(jī)理，預(yù)防鈦合金緊固件氫脆斷裂的技術(shù)措施，應(yīng)該是嚴(yán)格控制緊固件材料中的氫含量。具體從以下幾個(gè)方面加以控制：

• 嚴(yán)格控制原材料的氫含量

緊固件中的氫主要源于原材料的冶煉，因此必須嚴(yán)格控制原材料的氫含量。材料在入廠復(fù)驗(yàn)時(shí)，不能只進(jìn)行機(jī)械性能檢驗(yàn)，還必須進(jìn)行氫含量的復(fù)驗(yàn)，以保證用于生產(chǎn)的鈦合金材料氫含量符合相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，生產(chǎn)出的緊固件才有可能符合產(chǎn)品的氫含量要求。

• 控制緊固件制造過(guò)程中和使用狀態(tài)下的氫污染

緊固件的制造加工往往需要拉拔、擠壓、鐓鍛、螺紋成形等壓力加工工藝，需要熱處理、清洗、表面陽(yáng)極氧化處理等熱、表加工。

在這些加工過(guò)程中，零件半成品不可避免地會(huì)與潤(rùn)滑劑、脫模劑等酸類(lèi)物質(zhì)接觸，造成零件表面氫污染，進(jìn)而發(fā)生氫滲入。為了預(yù)防緊固件的氫脆，在這些過(guò)程中應(yīng)采取有效措施，減輕氫污染。

例如，盡量避免或減少金屬材料與空氣的直接接觸，經(jīng)過(guò)壓力加工后的坯件應(yīng)盡快清洗干凈，清除緊固件表面污物時(shí)盡量不用酸洗工藝，尤其是不能采用濃酸洗。

為了避免鈦合金緊固件在貯存、運(yùn)輸、工作環(huán)境下發(fā)生氫污染，一般都需要進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理使零件表形成一層氧化膜，使其與空氣物理隔離，氧化層有藍(lán)色、金黃色、灰褐色等多種。

• 鈦合金緊固件出廠前，必須進(jìn)行氫含量檢測(cè)。對(duì)于經(jīng)過(guò)固溶、時(shí)效熱處理，強(qiáng)度較高的鈦合金緊固件尤為重要。