Page 28 - 理化检验-物理分册2019年第六期
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王 荣: 风能发电机组结构件的失效分析与预防
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图 ８ 缺口延长线方向上的氢分布( KⅠ ＝７２．４MPa m
Fi g 敭８ H y dro g endistributionalon g thenotchextensionline
１ ２
K I＝７２敭４MPa m
( ２ )内部氢元素的缺口效应
内部氢元素诱发氢脆型断裂是螺栓制造过程中 图 １０ 环境氢的扩散特性
Fi g 敭１０ Diffusioncharacteristicsofambienth y dro g en
渗入的氢元素滞留在钢中, 在拧紧螺栓后扩散、 集中
至螺纹等应力集中部位, 导致发生氢脆型断裂的状 油等工序.
( １ )热处理工序引入氢
况, 如图 ９ 所示意.其典型案例是, 螺栓电镀工序中
连续式网带炉是紧固件行业首选的热处理设
渗入钢中的氢元素导致的氢脆型断裂.
备, 特别适合于批量生产的中小规格的紧固件, 为了
避免加热过程中的氧化和脱碳, 生产方通常采用保
护气氛.保护气氛常采用高纯度甲醇经高温催化裂
.淬火加热时,
解产生的气体: CH ３OH→CO＋２H ２
在较高的加热温度下, 氢很容易渗入到螺栓中.
( ２ )酸洗工序引入氢
酸洗是把工件放在稀盐酸中搅动 １０~１５min ,
酸洗的主要作用是去除钢材表面的锈层.工件在酸
洗时产生如下反应: Fe＋２HCl＝FeCl ２＋H ２ 生成
,
的氢气会渗入到螺栓中.
( ３ )除油工序引入氢
由于阴极除油的速度较快, 所以多数企业在生
图 ９ 内部氢的扩散特性
产中采用了阴极除油.但在阴极除油过程中由于阴
Fi g 敭９ Diffusioncharacteristicsofinternalh y dro g en
内部氢元素诱发氢脆型断裂也包含原材料本身 极反应会产生大量的氢原子, 附着在工件表面, 从而
所含有的氢元素. 产生渗氢.
( ３ )外部氢元素的缺口效应 ( ４ )电镀工序引入氢
外部氢元素诱发氢脆型断裂可分为: ① 螺栓表 电镀过程中的阴极反应会产生大量的氢, 并渗
面吸附的 冷 凝 水 是 一 种 弱 电 解 质, 可 产 生 少 量 的 入钢中.镀层过厚也会阻碍除氢时氢的逸出.
H , 如果冷凝水中还溶解有酸类物质, 其水解作用 ( ５ )电镀后未除氢或除氢不彻底
＋
也会产生 H , 这些 H 会向应力集中明显的缺口 除氢必须在电镀后、 钝化前进行, 除 氢 温 度 为
＋
＋
部位扩散、 富集, 如图 １０ 所示意; ② 已拧紧的螺栓表 １９０~２３０ ℃ .
面暴露在腐蚀性环境中, 在表面发生腐蚀的同时产 根据内部可逆性氢脆理论, 在应力作用下, 裂纹
生 H , 所产生的 H 渗入钢中之后集中在应力集 前端塑性区附近将形成高位错密度区, 在这些区域
＋
＋
中部位, 从而导致氢脆型断裂. 中, 氢的自由能很低, 因此金属内部的其他氢原子依
５．２．２．２ 螺栓氢脆型断裂的本质 赖于运动着的位错将涌向这些低自由能区域, 由于
氢脆可分为两大类: 第一类为外部氢脆, 氢主要 此运动位错对氢原子起到了“ 泵” 的作用, 这就形成
来源于潮湿空气、 冷凝水、 腐蚀及腐蚀坑处等; 第二 了所谓的柯垂耳气团, 造成裂纹前端氢原子的富集,
类为内部氢脆, 氢主要来源于热处理、 酸洗、 电镀、 除 于是不但容易形成裂纹, 而且会使裂纹加速扩展, 这
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