技术专栏丨紧固件的氢脆化测试

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  当氢原子进入钢和其他金属中,金属施予应力时,会因此而降低金属的延展性或负荷承受性能;这样的现象统称为氢脆延迟性的破坏。由于钢中的氢存在于应力集中部位,直到发生延迟破坏需要若干时长,而一般的机械性测试上往往忽略及遗漏了延展性的重要性,因此,如何在短时长内测试出延迟破坏的倾向是我们螺丝人必不可少的学习。

一、什么是氢脆化

  氢脆化对于紧固件来说可能是最坏的问题发生原因之一,因为它是延迟破坏。通常在组装24小时后发生,但没有一定的准确时长。商用的紧固件种类在电镀后且有洛氏C34或以上的硬度容易引起氢脆的失败。这些种类包括自攻螺丝、弹簧华司、Sems(组合华司的自攻螺丝)、螺帽组合华司(Keps or ConicalAssembly Nuts)、Grade 8螺栓等产品。

二、产生氢脆化的主要原因

  种种迹象显示,氢脆的潜在倾向与产品做表面处理、钢内碳含量以及产品硬度有关且成正比。参考各个规范及相关论文的研究结果显示:

  1、当产品脆性增加以及酸液浸洗是造成氫脆化的主要因素。

  产品在经过冷锻或冷加工后硬化热处理,使产品脆性增加,对氢脆损害特別敏感;酸洗、磷酸盐、电镀、自动反应的过程和在大自然环境。

  2、产品型号及电镀造成。

  通常在 Grade 2 的螺栓或螺丝同意使用电镀,事实上也无氢脆化的倾向,因為這些产品都是低碳钢以及无硬化。Grade 5 电镀后的螺栓或螺丝就很有可能有氢脆化的问题产生,这些产品都是使用中碳钢制造以及硬化处理到最高 C34 的硬度,但仍未听說有氢脆化的事情产生。Grade 8 电镀后的螺栓或螺丝就有氢脆化的倾向,这些是使用中碳合金钢制造及硬化处理到最高 C39 的硬度。

三、氢脆化测试仪器及装置

  1、扭力轴力机(Torque – Tension)

  2、扭力扳手(Torque Wrench)

  3、测试楔形垫片

  板子应为钢制,厚度是让锁上螺栓后仍至少留有三个完整螺纹在外。板上孔应尽可能和所测螺栓之外径接近,但不能夠大于垫圈的孔径。氢脆性测试时,外螺纹紧固件应装入一楔形垫片中,其角度如下表:

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氢脆性测试楔形垫片的角度

  4、硬化垫圈(Harden Washer):硬化垫圈应依 ASTMF436规范要求一致。表面粗糙度16μin(0.40μm)以下。

  5、硬化螺帽:最好有 1 倍公称径以上厚度以确保能锁紧到规定扭矩值。

四、氢脆化的部分测试方法

  将螺栓、螺丝、牙条(当测试之螺桩两边的牙距不同时,螺纹较细的一端应锁上螺帽,而当作头部的末端)装入扭力抽力机中,套入垫圈再组合上一个已硬化的螺帽。用扭力扳手锁紧螺帽使样品规定的最小抗拉强度的75%,此时记录其锁紧扭力。如图所示:

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决定锁紧扭矩装置

  1、任意从待测样品批中选出三支出来,并测试及计算出三个扭力的平均数,即为锁紧扭力。如此组合应持续48小时在锁状态。

  2、拆卸时,如果用扭力方法锁紧的,应使用原扭力扳手卸出扣件,测试卸出螺帽所需的扭力不得少于初次扣件紧扭力的90%。如果锁紧用的是直接拉力方法,则在测试期间损失锁紧强度(以磅计)应不超过第一次锁紧负荷的10%。

  3、48小时后经卸下的测试样品若可以用肉眼发现其脆化导致的断裂(如头部断裂),或以 20 倍以上的放大镜检查有裂纹产生的杆部,牙部或与头颈交接处则判定不合格。

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试验治具

  注意:上图是测试夹具对负荷下的单独螺栓,当做此实验时要特别注意,脆化螺丝的头部有可能会突然断裂。

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氢脆化测试建议及锁紧扭矩

  表中扭矩值是使用 75%的最小抗拉荷重,以及摩擦系数为0.20计算。

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  本文摘自螺丝商学院课件摘要,刘杰供稿,华人螺丝网整理编辑。鉴于版面有限,未能全部刊登!想了解全部课程请到华人螺丝网·螺丝商学院查阅。

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