氫脆化的原理

2015-11-05

氫脆化的原理
 當氫原子進入鋼和其它金屬中,它會存在於材料的結晶上,當對金屬施於應力時,會因此而降低金屬的延展性或最大負荷承受性能。氫脆化是延遲性的破壞,由於鋼中氫存在於應力集中部位,直到發生延遲破壞需要若干時間,而在一般的機械性能測試上往往忽略及遺漏了延展性的重要性,也無法在短時間的試驗測出延遲破壞的傾向,使得扣件雖在滿意的機械性能狀態或標準的設計強度下如:硬度、降伏強度、抗拉強度、衝擊值等等仍產生破裂,經常是由很微小的裂痕造成突然間的崩壞。這種現象在合金上通常歸於氫效應延遲破壞,氫應力裂痕或氫脆。

氫脆化在扣件來說可能是最壞的問題發生原因之一,因為它是延遲破壞。通常在組裝24小時以後發生,但沒有一定的準確時間可循,商用的扣件種類在電鍍後且具有洛氏HRC34或以上的硬度容易引起氫脆的失敗,這些種類包括自攻螺絲、彈簧墊圈、Sems(組合墊圈的自攻螺絲)、螺帽組合墊圈(Keps or conical assembly nut)、Grade螺栓和所有沉頭螺絲產品。


產生氫脆化的主要原因

 種種跡象顯示,氫脆的潛在因素與產品作形式表面處理及鋼內碳含量,以及產品的硬度有關,且成正比關係。參考各國規範及相關論文的研究結果顯示,當產品脆性增加,以及酸浸洗是造成氫脆化的主要因素,產品在經過冷鍛冷加工後再硬化熱處理,使產品的脆性增加,對氫脆損害特別的製程相同,例如:酸洗、磷酸鹽、電鍍、自動反應的過程和在大自然環境中使用,如陰極保護反應或腐蝕也會導致同樣的結果,以扣件上來說,通常在Grade 2的螺栓或螺絲同意使用電鍍,事實上也無氫脆化傾向,因為這些產品都是低碳鋼以及無硬化。Grade 5電鍍後的螺栓或螺絲就很有可能有氫脆化的問題產生,這些產品都是使用中碳鋼製造以及硬化處理到最高HRC34的硬度,但仍未聽說有氫脆化的情事發生,電鍍後的螺栓或螺絲就有氫脆化的傾向,這些是使用中碳合金鋼製造及硬化處理到最高HRC39的硬度。沉頭螺絲也是使用中碳合金鋼製造,硬化處理到最高HRC45的硬度,在所有標準種類的螺栓或螺絲中,電鍍後的沉頭螺絲有最高的氫脆化失敗的可能性。對於產品的破壞是否為氫脆所造成,有一個較簡單的判斷方法,那就是如果螺絲或螺栓在裝置後1~48小時內破壞,且其破壞在頭部與桿部及螺紋與桿部的交接位置,那大概就是氫脆化破壞,如果螺絲在裝置一段時間後破壞,這大概就是氫脆以外的問題。

氫脆化的消除與防止

 經研究調查結果顯示,在測試任何材料對氫脆化的敏感性是直接與材料本身氫侵入含量有關(侵入的型態與有效性),因此燒烤過程中時間溫度的關係不但取於鋼的成份和組織而且也和電鍍過程息息相關,有很多原因可能使得扣件脆化,氫脆化測試僅是最後的手段,重要的是事前的防範,以及預防及降低重大的損失,在製造過程管制(包括電鍍處理過程)將可使氫脆化的機率降到最低。