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。换句话说，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]。

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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。

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