中国一航一航材料院氢脆问题培训中国一航北京航空材料研究院1一航材料院一 . 氢脆概要 二 . 氢脆试验方法 三 . 低氢脆防护工艺目目 录录2一航材料院一一 氢脆概要氢脆概要 氢脆定义氢脆定义: :高强度结构钢在相当低的的使用应力下高强度结构钢在相当低的的使用应力下, ,由氢所所由氢所所 诱发的灾难性脆性断裂。诱发的灾难性脆性断裂。 发生氢脆断裂的三个必要条件：发生氢脆断裂的三个必要条件：1.1.钢必须热处理到某种相当高的强度水平。一般来说，随钢必须热处理到某种相当高的强度水平。一般来说，随 着钢的强度水平的提高，断裂的时间就减少。着钢的强度水平的提高，断裂的时间就减少。2.2.钢必须承受某一高于某种最低值的静载拉伸应力。这种钢必须承受某一高于某种最低值的静载拉伸应力。这种 最小应力值取决于钢的强度水平。最小应力值取决于钢的强度水平。3.3.钢必须含有超过某一最低量的氢，而这种氢必须能通过钢必须含有超过某一最低量的氢，而这种氢必须能通过 钢而自由扩散。钢而自由扩散。 氢脆的发生，就是氢在应力作用下会向应力集中区迁移。氢氢脆的发生，就是氢在应力作用下会向应力集中区迁移。氢 以某种方式削弱了钢的内部键合力。当足够的氢聚集时，裂以某种方式削弱了钢的内部键合力。当足够的氢聚集时，裂 纹就开始了。高的应力以及氢向裂纹尖端移动，这个过程一纹就开始了。高的应力以及氢向裂纹尖端移动，这个过程一 直继续到发生断裂为止。直继续到发生断裂为止。3一航材料院一一 氢脆概要氢脆概要高强度钢静拉应力可扩散氢l 热处理 l 焊接 l 表面处理 l 涂漆l 合金元素 l 热处理制度 l 金相组织l 设计应力 l 使用应力 l 加工残余应力 l 应力集中氢 脆4一航材料院一一 氢脆概要氢脆概要uu几个概念：几个概念： 内部氢脆内部氢脆 环境氢脆环境氢脆 可逆性氢脆可逆性氢脆 不可逆性氢脆不可逆性氢脆 后脆后脆 延迟破坏延迟破坏5一航材料院一一 氢脆概要氢脆概要后脆示意图：图1-1 .30CrMnSiNi2A钢在3.5%NaCl介质（35）中的应力破断时间曲线 6一航材料院一一 氢脆概要氢脆概要uu钢的强度级别与氢脆敏感性钢的强度级别与氢脆敏感性( (表表1-1)1-1)合金抗拉强度（ksi)敏感性最高的1组组AISI4340(低合金钢钢） AISI4130(低合金钢钢）260 1802组组AISIH-11 (低合金钢钢） 17-4PH(耐蚀钢蚀钢 ）260 2003组组AM355 (耐蚀钢蚀钢 ） AISI410 (耐蚀钢蚀钢 ） 18Ni Maraging (低合金钢钢） AISI E8740 (低合金钢钢）180 160 260 180 4组组17-7PH(耐蚀钢蚀钢 ） 200敏感性最低的5组组718合金（镍镍基合金） Waspaloy （镍镍基合金） Rene41 （镍镍基合金） U-212 (耐蚀钢蚀钢 ） 180 190 200 1807一航材料院一一 氢脆概要氢脆概要uu一种钢不同强度水平对氢脆的敏感性一种钢不同强度水平对氢脆的敏感性( (图图1-2)1-2)8一航材料院一一 氢脆概要氢脆概要uu氢脆的门槛应力与门槛氢含量的关系氢脆的门槛应力与门槛氢含量的关系( (图图1-3)1-3)9一航材料院一一 氢脆概要氢脆概要uu减少氢脆危险减少氢脆危险1.1.选材选材应选强度级别较高而氢脆敏感性较小的材料应选强度级别较高而氢脆敏感性较小的材料2.2.设计设计应尽可能采用低的热处理水平和最清洁的材料；应尽可能采用低的热处理水平和最清洁的材料； 零件应尽可能承受低的持续拉伸载荷；零件应尽可能承受低的持续拉伸载荷；应尽可能减少应力集中的可能性（截面变化等）。应尽可能减少应力集中的可能性（截面变化等）。3.3.热处理热处理采用表面无氧化、不脱碳、不增碳、不产生内应采用表面无氧化、不脱碳、不增碳、不产生内应力、不变形和不吸氢的工艺（真空热处理、可控力、不变形和不吸氢的工艺（真空热处理、可控气氛热处理）。气氛热处理）。4.4.表面处理表面处理采用无脆性或低脆性工艺、镀前消除应力、喷采用无脆性或低脆性工艺、镀前消除应力、喷丸强化、镀后长时间除氢、氢脆试验。丸强化、镀后长时间除氢、氢脆试验。10一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法uu持续载荷试验法（延迟破坏试验）持续载荷试验法（延迟破坏试验）缺口拉伸试验（缺口拉伸试验（ASTM F519)ASTM F519)应力环试验（应力环试验（ASTM F519)ASTM F519)紧固件倾斜楔子试验（紧固件倾斜楔子试验（ASTM B839)ASTM B839)* *快速试验方法快速试验方法逐步加载试验逐步加载试验ASTM F1624ASTM F1624（钢的氢脆门槛值）（钢的氢脆门槛值）ASTM F1940ASTM F1940（工艺控制检验）（工艺控制检验）慢应变速率试验慢应变速率试验 uu可扩散氢测定法可扩散氢测定法* *非非电化学测试方法电化学测试方法锂核微探头测量法锂核微探头测量法钕箔测试法钕箔测试法* *电电化学测试法化学测试法劳伦斯测氢仪试验劳伦斯测氢仪试验（ASTM F326ASTM F326）电化学渗透法电化学渗透法双电解池试验双电解池试验单电解池试验（依附电极试验单电解池试验（依附电极试验 ASTM F1113ASTM F1113）11一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法在在3.075Mev3.075Mev动能下动能下, ,7 7LiLi离子离子与表面的氢原子核反应与表面的氢原子核反应, ,生成生成第五激发态的第五激发态的8Be8Be7 7Li+Li+1 1H H 8 8Be+Be+而而8 8BeBe由于放射出由于放射出17.617.6或或14.74Mev14.74Mev的的射线而迅速衰减。所放射的射线而迅速衰减。所放射的射线数量与被探测深度下氢原子核射线数量与被探测深度下氢原子核的数量成正比。依靠控制入射的数量成正比。依靠控制入射7Li7Li射线的能量，可以改变探测深度。射线的能量，可以改变探测深度。非电化学方法测定可扩散氢非电化学方法测定可扩散氢-锂核微探头测量法锂核微探头测量法( (图图2-1)2-1)12一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法图图2-2 D6AC2-2 D6AC钢镀钢镀1.3m1.3m镉，在整个镉，在整个1.9m1.9m深深度内存在大约平均度内存在大约平均250ppm250ppm的氢的氢 13一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法图图2-3 1.3m2-3 1.3m镉镀层序列在镉镀层序列在1.6m1.6m下的氢活度下的氢活度 射线能量储存增加，产生热量增加，氢扩散增加，测出浓度下降；射线能量储存增加，产生热量增加，氢扩散增加，测出浓度下降； 可看出镀前、镀后，除氢后氢浓度变化：可看出镀前、镀后，除氢后氢浓度变化：镀前为镀前为25-75ppm25-75ppm，除氢没有使氢浓度降到低于，除氢没有使氢浓度降到低于100ppm100ppm以下。以下。14一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法图图2-4 2-4 对于对于5.1m5.1m铬镀层序列的氢活度铬镀层序列的氢活度 测量深度为测量深度为0.6m0.6m和和1.3m1.3m，电镀之后，氢浓度超过，电镀之后，氢浓度超过500ppm500ppm；15一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法图图2-5 2-5 在镀在镀2.5m2.5m镉的镉的D6ACD6AC钢中氢浓度钢中氢浓度- -深度分布图深度分布图16一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法非电化学方法测定可扩散氢非电化学方法测定可扩散氢钕箔测试条试验钕箔测试条试验 测试原理测试原理( (图图2-6) 2-6) NdNd NdHNdH2 2 NdNdH 2H HH 2H H氢测定条氢测定条飞机主起落架装置（飞机主起落架装置（AISI4340)AISI4340)Nd+2HNd+2HNdHNdH2 2300300（149149），），1h1h 测试结果：如果测试结果：如果NdHNdH2 2反应部位是直观（肉眼）可见，局部氢浓度将大于反应部位是直观（肉眼）可见，局部氢浓度将大于150ppm150ppm；光学显微镜和扫描电镜读数可连续测定从；光学显微镜和扫描电镜读数可连续测定从150150到到1ppm1ppm以下（在以下（在1m1m的位置）。光学显微镜到的位置）。光学显微镜到0.01ppm0.01ppm，扫描电镜到，扫描电镜到0.001ppm0.001ppm。17一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法非电化学方法测定可扩散氢非电化学方法测定可扩散氢钕箔测试条试验钕箔测试条试验 图图2-7 43402-7 4340型钢的持续载荷应力对氢含量的临界破坏曲线型钢的持续载荷应力对氢含量的临界破坏曲线18一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法持续载荷试验法持续载荷试验法缺口拉伸试验（缺口拉伸试验（ASTM F519,aASTM F519,a型试样）型试样） 75%75%bhbh下静载拉伸，下静载拉伸，200h200h不断为合格不断为合格图图2-8 F519 1a2-8 F519 1a型试样图型试样图 图图2-9 HB50672-9 HB5067缺口拉伸试样缺口拉伸试样19一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法图图2-10 2-10 拉力试验机拉力试验机持续载荷试验法持续载荷试验法缺口拉伸试验（缺口拉伸试验（ASTM F519ASTM F519）20一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法关注几个问题关注几个问题1.1.试验方法的依据，苛刻性，仲裁性；试验方法的依据，苛刻性，仲裁性；2.2.试样的加工是关键；试样的加工是关键；3.3.试样的材料问题；试样的材料问题；4.4.试样的敏感性问题。试样的敏感性问题。持续载荷试验法持续载荷试验法缺口拉伸试验（缺口拉伸试验（ASTM F519ASTM F519）21一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法1.1.缺口持久拉伸试验法的依据（苛刻性，仲裁性）缺口持久拉伸试验法的依据（苛刻性，仲裁性）拉伸应力，应力大，应力集中拉伸应力，应力大，应力集中ktkt=3=3或或4 4持续载荷试验法持续载荷试验法缺口拉伸试验（缺口拉伸试验（ASTM F519ASTM F519） 应力集中部位，应力最大；应力集中部位，应力最大； 氢向应力集中部位迁移，氢氢向应力集中部位迁移，氢 浓度最大；浓度最大； 200h200h有利于氢的迁移，适应有利于氢的迁移，适应 延迟破坏机理。延迟破坏机理。图图2-11 2-11 应力集中示意图应力集中示意图22一航材料院二二 氢脆试验方法氢脆试验方法图图2-12 2-12 在某一给定施加应力水平及热处理的在某一给定施加应力水平及热处理的43404340钢缺口试样对钢缺口试样对 230ksi230ksi（1586Mpa1586Mpa）强度水平的应力比之下，在）强度水平的应力比之下，在300300（149)149)烘烤对断裂时间的影响。（按烘烤对断裂时间的影响。（按TroianoTroiano) ) 研究这幅图，就可推断，在研究这幅图，就可推断，在75%75%NTSNTS下，断裂会在下，断裂会在200h200h之内出现；之内出现； 研究这幅图，还可更精确地表明，研究这幅图