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    汽车零部件氢致断裂的分析及预防

    文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2016-07-11 10:19【

    对氢脆的机理、氢脆的断口形貌、氢脆的表观形式、影响氢脆的因素、氢脆的预防以及氢 脆的检查分别进行了介绍,并通过对汽车生产中典型氢致断裂案例的分析和研究,对氢脆断口形貌提出了判定依据:脆性断口、沿晶断裂、显微气孔、二次裂纹、发线花纹。并依据氢脆发生的机理和主要影响因素,强调对于高强度零件及时有效地进行去氢处理的重要性。

    21世纪的汽车工业技术高速发展,在汽车安全 项、法规项的总成零部件中,高强度零部件被大量 使用,如高强度级别的螺栓和弹簧垫片、垫圈等。由 于这些零件常用在使用条件比较严格和苛刻的部位,因而在常见易发的产品质量事故中,零件氢致断 裂问题正在日益引起业内人士的关注。

    高强度零件在负载工作时,如果金属内部存在 氢致损伤的情况,在经过一段时间后零件发生断裂'的现象称为氢致断裂(也称为氢脆),它是一种延迟断裂破坏。由于氢脆没有任何先兆,一旦突然发生断裂,将对整车性能和行驶安全带来极大的危害。

    除非氢脆现象特别严重,氢致断裂大都需要经过一定的孕育期。对于汽车主机厂来说,一旦在主机厂以外的整车上有零件发生氢脆,就意味着这是一个系统性、批量性的质量事故,涉及面较广,召回 和返修的成本也都较高。对于供应商来说,则面临着零部件大批量的更换和主机厂的索赔。因此,对 汽车零部件的氢脆进行分析并提出切实可行的预防 措施意义重大。需要强调的是,该文并不对原材料 冶炼中产生的氢致损伤缺陷进行分析。

    1 氢脆机理

    1.1 渗氢途径
    渗氢的主要途径有两个
    (1)由表面前处理中的酸洗工艺导致的渗氢, 它主要通过两个环节引人氢。一是钢与酸洗液之间 发生如下化学反应:

    其中,一部分氢以氢原子形式进人到钢材内部,另一 部分以氢分子的气体形式逸出。二是酸洗液发生如下电离反应:

    H+以自由离子状态进人到金属内部,然后扩散到金属的晶格中。
    (2)由电镀工艺导致的渗氢。对汽车零件进行 电镀时,镀件阴极有氢离子还原为氢原子的反应:

    这个反应造成析氢,部分氢会以原子状态渗人到金属内部。

    1.2形成机理[1]

    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,在缺口根部、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。

    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”,使位错不能自由运动,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,导致裂纹不断的形成和扩 展,直至零件脆断。

    需要特别指出的是,当材料变形的应变速率较 高大于某一临界值时,氢气团运动跟不上位错运动, 氢气团落后于位错,位错反过来对氢气团起“钉扎效 应”,这时零件不会发生氢脆,只会发生一般性的机 械断裂?;痪浠八?,氢脆的爆发是有一个应力区间 的,超过其上限应力或低于其下限应力时,均不会发 生氢脆[1]。

    2 氢脆的断口特征

    2. 1宏观形貌

    氢脆断口宏观形貌的主要特征有:①断口具有 脆性断裂特征,无宏观塑性变形,断口平齐,有时伴有放射状花样;②断面干净、新鲜,但是比较粗糙,氢脆断裂区呈结晶颗粒状,色泽较明亮,非氢脆断裂 区呈暗灰色纤维状,并伴有不明显的剪切唇边;③倾斜断口并对着光线慢慢转动,断口上呈现闪闪反 光的小平面。这些小平面是无序多晶体沿晶粒内部某些特定的晶体学平面劈裂后,光线照在这些晶面 后,晶面对光线的反射所造成的。

    2.2微观形貌

    由于受力加载前并不存在裂纹源,即裂纹源的 萌生与持续应力有关。通常情况下,裂纹源不是在零件表面生成,而是在次表层的微裂纹尖端三向应 力区域起源、成核和扩展。因而氢脆断口微观形貌 的主要特征有:①以沿晶脆性断裂为主,少有穿晶 或是二者混合的方式[2],断裂区典型断口为沿晶界发生的沿晶脆性断裂,晶粒晶界轮廓鲜明,断口的晶 面平坦,没有附着物,有时可见白亮的、不规则的细 亮条,这种线条是晶界最后断裂位置的反映,并存在大量的鸡爪形撕裂棱,非延迟断裂区则多为韧窝撕裂形貌;②显微裂纹呈断续而曲折的锯齿状,裂纹一般不分叉;③高倍扫描电镜下可见在晶界周围伴 有显微气孔、二次裂纹、发线花纹或鸡爪状花纹。

    3氢脆的表现形式

    氢脆的主要表现形式有:①在断裂瞬间,零件 受到的是一持续的静应力,这个“静应力”是一个低应力,它远低于材料的屈服极限应力;②在时间上 表现为延迟断裂,需要经过一段时间的孕育期,零件 才会以发生静态脆性断裂的形式表现出来;③在零 件数量上表现为数目多、批次性的断裂,绝非个别、偶然的现象;④室温条件下氢脆敏感性最大[3]。

    恒丰铆钉规格:开口型抽芯铆钉,封闭型抽芯铆钉,内锁型拉丝铆钉,外锁型拉丝铆钉,单鼓型抽芯铆钉,双鼓型抽芯铆钉,防水型灯笼铆钉,海马铆钉,气动铆枪及相关紧固件。

    4影响氢脆的因素

    影响氢脆的因素主要有:

    ①与材料强度级别相 关,即材料的屈服强度?越高,其氢脆倾向越严重;

    ②零件的显微组织状态对氢脆敏感性有很大影响, 具体表现为材料的强度和硬度越高,其氢脆敏感性 越高,热力学不稳定组织的氢脆敏感性较大,如淬火 马氏体比回火马氏体对氢脆更敏感;

    ③与镀层金属的吸氢程度有关,如镀铬层的吸氢能力较大,高强 度的零件应防止镀铬,镀锌层的铁族元素吸氢程度 次之;

    ④与零件表面处理工艺有关,以螺栓为例,8. 8级螺栓镀锌一般不会发生氢脆,10. 9级螺栓不 宜做镀锌处理,10. 9和12. 9级的螺栓多采用达克 罗工艺处理,10. 9和12. 9级的螺栓在磷化处理后 必须进行去氢处理;

    ⑤受氢致损伤越严重,零件的氢脆倾向就越严重,断裂的孕育期通常也较短。

    5氢脆的预防

    对于10.9级及以上的外螺纹紧固件、表面淬硬 的自攻螺钉以及带有淬硬钢制垫圈的组合螺钉等零 件,在电镀锌后必须进行去氢处理。具体工艺如下: 将镀件放在烘箱或回火炉中,在200?230°C下保温 3?12h或更长时间,在热力学作用下,使氢有足够 长的时间从晶格中逸出。注意事项有:去氢处理一 定要及时,且要在钝化工艺前进行;在烘箱或回火炉中,零件应尽量避免堆放在一起,宜采用平放、层层 铺开的方式。

    6氢脆的检查

    以螺栓为例,螺纹紧固件可采用旋紧的办法,在 专用夹具上,旋到使螺杆承受相应的工艺装配扭矩时,保持48 h,松开后螺纹紧固件不产生断裂即可。

    7典型的氢脆案例

    7.1 8.8级螺栓的氢脆

    螺栓材料为ML35钢,工艺情况为淬火、回火 以及电镀锌表面处理;断口微观形貌为沿晶+显微气孔+发线花纹,显微组织为屈氏体;硬度要求值为253?319 HV,实测硬度值为451,453和457HV。

    一般认为,8.8级螺栓电镀锌后不会发生氢脆, 不必进行去氢处理。但由于该螺栓的实际强度值远 远高于8.8级螺栓强度值的上限,导致其在安装紧 固一段时间后发生氢脆断裂。

    7.2机油标尺的氢脆

    机油标尺材料为65Mn钢,工艺情况为淬火、回 火以及电镀锌表面处理;断口微观形貌为沿晶+显微气孔+发线花纹+氢气泡,显微组织为回火屈氏 体;硬度要求值为40?45HRC,实测硬度值为42, 43和43 HRC。

    虽然该零件符合定义的技术要求,但由于去氢不彻底,尽管机油标尺在机油管内呈小角度弯曲受力状态,但还是发生了氢脆。

    7.3自攻螺钉的氢脆

    自攻螺钉材料为10B21钢,工艺情况为淬火、回火、渗碳以及电镀锌处理;断口微观形貌表层为沿晶+二次裂纹+显微气孔+发线花纹,心部为韧窝,显微组织为马氏体+索氏体+少量铁素体;表面硬 度要求值>600 HV,实测表面硬度值为690,692和695HV,心部硬度要求值为280?390HV,实测心 部硬度值为284,286和292 HV。

    由于去氢不彻底和渗碳层氢脆敏感性较高,导 致攻人钢板的自攻螺钉发生了氢致开裂。

    7.4 10. 9级螺栓垫片的氢脆

    垫片材料为65Mn钢,工艺情况为淬火、回火以 及达克罗表面处理;断口微观形貌为沿晶+二次裂 纹十显微气孔+发线花纹,显微组织为回火屈氏体•’ 硬度要求值为40?45HRC;实测硬度值为42,43和43HRC。

    由于生产厂家未严格执行达克罗生产工艺,用 酸洗代替了喷丸清洗,导致高强度垫片氢致断裂。

    8 结语

    依据断口形貌是否具有脆性断口、沿晶断裂、显 微气孔、二次裂纹和发线花纹等特征可以判断汽车零部件是否发生了氢脆,由上述氢脆机理和主要影 响因素可知,对高强度汽车零部件必须进行及时有 效的去氢处理。

    恒丰铆钉20年专注不锈钢抽芯铆钉的研发与制造,并且严格执行ISO/TS16949:2009汽车质量管理认证体系,荣获国家8项专利证书,同时可按照德标DIN,美标IFI,国标GB,国际标准ISO生产各种不锈钢拉钉,可按客户要求定制?;队魑豢突袄囱」?!

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