采用超高強度鋼(300M鋼)研究缺口試樣的拉伸性能。

(1) 熱處理工藝

試驗300M鋼的熱處理工藝如下：930℃正火+650~670℃高溫回火，洛氏硬度要求≤33HRC；870℃油冷淬火+300℃回火兩次，抗拉強度R_m要求為(1960±100)MPa。

(2) 試樣

采用光滑拉伸試樣和缺口拉伸試樣進行試驗。試樣形貌如圖1所示，光滑試樣的形狀尺寸參見GB/T 228.1-2010，缺口試樣的形狀尺寸見圖2。

圖1 光滑拉伸試樣和缺口拉伸試樣宏觀形貌

圖2 缺口試樣的形狀尺寸示意圖

(3)試驗結果

從表1可以看出，缺口試樣的抗拉強度遠遠高出光滑試樣的，說明缺口部位的強度升高了，這一特性更容易引發氫脆型斷裂。兩試樣拉伸試驗的應力-應變曲線如圖3所示，可見缺口試樣是在無屈服的情況下就發生了斷裂，而且在斷裂前也并不是像光滑試樣那樣處于完全的彈性變形階段，而是在相同應變的情況下，應力均有所降低。該現象與試樣缺口處的應力集中以及位錯運動時的塞積有關。

表1 拉伸試驗結果

圖3 拉伸試驗應力-應變曲線

吸氫特性

1 氫元素的缺口效應

(1) 缺口前方的氫富集

于廣華等用Ⅰ型缺口試樣研究了缺口前方的氫富集情況，結果表明：不加載時，缺口前方各點的氫含量在平均值上下波動，這也表明在熱處理及試樣加工過程中所產生的應力集中對氫的分布沒有影響，而且加載前缺口附近的氫含量是均勻分布的；加載后氫的分布出現了兩個峰值，第一個峰值緊靠缺口，第二個峰值距離缺口0.5~0.6mm，如圖4所示。

隨著載荷的增大，第一個峰值逐漸降低，第二個峰值則逐漸升高，而且峰的位置也逐漸遠離缺口。

(2) 內部氫元素的缺口效應

內部氫元素誘發氫脆型斷裂是螺栓制造過程中滲入的氫元素滯留在鋼中，在擰緊螺栓后擴散、集中至螺紋等應力集中部位，導致發生氫脆型斷裂的狀況，如圖5所示意。其典型案例是，螺栓電鍍工序中滲入鋼中的氫元素導致的氫脆型斷裂。

圖5 內部氫的擴散特性

內部氫元素誘發氫脆型斷裂也包含原材料本身所含有的氫元素。

(3) 外部氫元素的缺口效應

外部氫元素誘發氫脆型斷裂可分為：①螺栓表面吸附的冷凝水是一種弱電解質，可產生少量的H^＋，如果冷凝水中還溶解有酸類物質，其水解作用也會產生H^＋，這些H^＋會向應力集中明顯的缺口部位擴散、富集，如圖6所示意；②已擰緊的螺栓表面暴露在腐蝕性環境中，在表面發生腐蝕的同時產生H^＋，所產生的H^＋滲入鋼中之后集中在應力集中部位，從而導致氫脆型斷裂。

圖6 環境氫的擴散特性

2 螺栓氫脆型斷裂的本質

氫脆可分為兩大類：第一類為外部氫脆，氫主要來源于潮濕空氣、冷凝水、腐蝕及腐蝕坑處等；第二類為內部氫脆，氫主要來源于熱處理、酸洗、電鍍、除油等工序。

(1) 熱處理工序引入氫

連續式網帶爐是緊固件行業首選的熱處理設備，特別適合于批量生產的中小規格的緊固件，為了避免加熱過程中的氧化和脫碳，生產方通常采用保護氣氛。保護氣氛常采用高純度甲醇經高溫催化裂解產生的氣體：CH₃OH→CO＋2H₂。淬火加熱時，在較高的加熱溫度下，氫很容易滲入到螺栓中。

(2) 酸洗工序引入氫

酸洗是把工件放在稀鹽酸中攪動10~15min，酸洗的主要作用是去除鋼材表面的銹層。工件在酸洗時產生如下反應：Fe＋2HCl＝FeCl₂＋H₂，生成的氫氣會滲入到螺栓中。

(3) 除油工序引入氫

由于陰極除油的速度較快，所以多數企業在生產中采用了陰極除油。但在陰極除油過程中由于陰極反應會產生大量的氫原子，附著在工件表面，從而產生滲氫。

(4) 電鍍工序引入氫

電鍍過程中的陰極反應會產生大量的氫，并滲入鋼中。鍍層過厚也會阻礙除氫時氫的逸出。

(5) 電鍍后未除氫或除氫不徹底除氫必須在電鍍后、鈍化前進行，除氫溫度為190~230℃。

根據內部可逆性氫脆理論，在應力作用下，裂紋前端塑性區附近將形成高位錯密度區，在這些區域中，氫的自由能很低，因此金屬內部的其他氫原子依賴于運動著的位錯將涌向這些低自由能區域，由于此運動位錯對氫原子起到了“泵”的作用，這就形成了所謂的柯垂耳氣團，造成裂紋前端氫原子的富集，于是不但容易形成裂紋，而且會使裂紋加速擴展，這就是內部可逆氫脆的本質。環境氫脆與內部氫脆并不存在本質性差別，只不過前者氫來源于外界環境，而后者氫原子則存在于金屬之中。當環境中的氫通過表面吸附并溶解入金屬后，其對金屬的脆化過程就與內部氫脆完全一樣。

在外加載荷的作用下，螺紋根部或螺紋頭部過渡圓角附近因應力集中而產生應力梯度，由于應力誘導擴散，原子氫富集在裂紋尖端局部區域。裂紋尖端水解作用可產生H^＋(pH值為3.7~3.9)，當有效氫含量達到臨界值時，可以使局部區域的表觀屈服強度明顯下降，于是在較低的K_Ⅰ作用下就能產生氫致滯后塑性并導致滯后斷裂。