“问答栏”紧固件的强度越高越好?

您日常工作中是否遇到过这样的情况:高强度的电镀紧固件以脆性的方式失效?

电镀高强度紧固件的氢致开裂是比较常见的。一个常见的现象是将紧固件失效归咎于制造过程中的缺陷,很少与所处的工作环境相联系。

然而,通常不是制造缺陷,可能是紧固件的选型,再加上特定工作环境,成为失效的根本原因。

许多螺丝君,认为强度越高越好。他们认为:结构失效可能是灾难性的,通过使用更高强度的紧固件,可以降低发生此类故障的风险。

但就紧固件而言,考虑到氢对高强度紧固件的不利影响,强度更高往往不是更好。

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对于紧固件,脆性类型的故障尤为棘手,因为它们可能发生在没有任何警告的情况下。

紧固件最常见的脆性断裂是由于氢对某些钢的强度产生的有害影响。1875年,w·h·约翰逊(W. H. Johnson)在提交给英国皇家学会的一篇论文中首次报告了氢对钢铁的有害影响。从那时起,这一问题得到了广泛的研究,但仍然是研究和争议的主题。

氢导致开裂,通常称为氢脆(HE),可发生在高强度钢和某些其他金属,如钛和某些不锈钢。原子氢可以在生产过程中或在其使用期间(由于腐蚀或大气中的氢)进入材料,造成灾难性的脆性断裂。

这发生在一个应力水平远低于紧固件的屈服强度。下图显示一个M10电镀的12.9内六角螺栓在头部下方因脆化而开裂。

氢脆的特点之一是,它可能只影响小部分的一批紧固件。这种载重能力的降低并不会在氢进入钢内时立即发生,一旦原子氢被引入到零件的表面,氢就会随着时间的推移向晶界、缺陷和材料中的夹杂物迁移。

氢的作用是引起原子间键能的降低。原子氢也可以结合在一起形成氢气(H2),其压力在裂纹尖端积聚也会产生有害影响。

通过这些机制,通常具有延展性的材料可以表现出脆性。由于紧固件处于应力状态,一旦某个特定缺陷的局部氢浓度超过某个临界值,就会产生裂缝。

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在制造过程中暴露在氢环境中的紧固件,通常在拧紧后1到24小时之间会发生脆性断裂。

如果紧固件在拧紧后的第一天发生脆性失效,那么氢从环境中进入钢铁的可能性大于制造过程中的。

从本质上讲,引起紧固件氢脆断裂的三个必要因素:

  • 这个紧固件一定有氢渗入;
  • 材料必须是易受影响的,一般来说,紧固件的抗拉强度/硬度越高,这种类型的脆性断裂的风险越大;
  • 紧固件必须承受很高的拉应力。

下图所示的维恩图,说明了这三个因素的相互作用:

在生产过程中,把氢引入钢铁的方法有很多种,最常见的方法是在电镀过程中。也可以从酸洗、气体渗碳、热处理以及在的螺纹轧制、机加工和钻孔过程中由于润滑油分解而引入。

在许多情况下,氢引入的来源来自电镀过程。非电镀紧固件由于氢脆而失效的情况并不多见。

对于高强度电镀紧固件,为了降低氢脆的风险,可以在电镀后立即进行热处理操作(这种热处理通常称为烘烤)。

参考指导标准ISO 4042(紧固件电镀涂层)。当高强度紧固件电镀(性能等级10.9和12.9)时,需要在电镀后4小时内进行热处理操作。

基本上,电镀后越早完成烘烤,处理的效果就越好。典型的烘烤将紧固件在200到230摄氏度的温度下保持2小时-24小时。

同样,从广义上讲,时间越长越好。如果在电镀后烘烤操作延迟超过4小时,紧固件可能已经发生了不可修复的损伤(微裂纹)(紧固件中可能存在局部残余应力,导致氢气迁移到高应力区域)。

烘烤过程的目的是尽可能多地去除氢,并将剩余的氢从表面分散出去。由于应力集中效应,紧固件的表面通常是高应力的。

研究表明,氢的局部浓度可能是临界的,而不是总含量。烘烤过程促进了氢在钢内的运动。在这样的圈闭中,氢不能自由地迁移到高应力区域。烘烤,如果做得恰当,显著地降低了氢脆的风险,但不会完全消除风险。

引用ISO 4042标准原话:Complete elimination of hydrogen embrittlement cannot be assured。

为了评估烘烤的效果,ISO 4042标准规定,当芯或表面硬度高于320HV(适用于10.9和12.9紧固件)时,需要进行氢脆检测。

其中一项测试是ISO 15330(用于检测氢脆的紧固件预加载测试),该测试要求将紧固件拧紧到或接近屈服点48小时。如果没有破损或可见的裂缝则通过测试。标准还规定,硬度超过365HV,应书面协议客户和制造商之间应该定义如何管理氢脆的风险。如果没有这样的协议,那么就应该遵循推荐的做法来降低风险。

一旦产品/紧固件投入使用,由于阴极保护或腐蚀反应,氢可能被引入钢中。来自环境中的氢导致的钢的脆性失效,通常被称为应力腐蚀开裂(SCC)。

由于在制造过程中引入的氢和由于在服务环境中引入的氢,氢脆的特征通常没有差异。

如果在拧紧后不久发生失效,则可能是氢脆HE。

如果它发生在装配后的一段时间,则可能是应力腐蚀开裂SCC。

如果是HE,那么紧固件供应商通常要对提供的缺陷零件负责。

如果是SCC,可以认为客户选择了不合适的紧固件类型。当一个紧固件失效时,实际紧固件的成本相对于失效的总成本来说通常是微不足道的。

虽然合金含量和显微组织对钢的氢脆敏感性有一定影响,但强度(硬度)是关键因素。

一般来说,钢的强度越高,对氢脆的敏感性就越大。

下图所示的图表总结了常用紧固件强度等级对HE敏感性的经验。

作为补充说明,在某些特殊情况下(例如使用阴极保护的海底应用),硬度大于34 HRC的紧固件很容易发生氢致脆性断裂。

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总 结:

  • 氢脆在某种程度上是不可预测的,所以明智的做法是,选择本质上不太容易发生这种类型的紧固件。理论上,高强度紧固件(10.9和12.9)不应电镀。当紧固件用户指定这样一种产品时,必须认识到它不可能是无风险的。
  • 对于大多数应用,性能等级为10.9的紧固件在强度和脆性断裂风险之间提供了最好的折中。紧固件制造商,应考虑将性能等级为10.9的紧固件的核心硬度限制在HRC36以下(标准中允许的范围是HRC33到HRC39),以进一步降低脆性断裂的风险。
  • 在10.9紧固件上使用锌片状涂层(Geomet, Delta Protekt等)或机械镀锌而不是电镀。
  • 在某些情况下,强度更高的紧固件不一定更好。

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