图1: 紧固件氢脆示意图

一、     氢脆的生成机理

氢脆是氢原子渗入金属内部后，在应力作用下引发脆性断裂的现象。其核心机理是
氢原子在金属缺陷处聚集形成氢分子，产生巨大压力，叠加外力后导致裂纹扩展。

根据氢的来源，可分为内部氢脆和环境氢脆：

内部氢脆：紧固件在制造过程重, 在冶炼、酸洗、电镀等加工工艺过程中, 氢原子便会趁机 “溜” 进金属晶格。 比如在酸洗过程中，酸液与金属反应产生氢气，部分氢原子会渗入金属内部。

图2: 内部氢进入演示图

环境氢脆：使用环境中，若接触含氢介质，如潮湿酸性环境，氢原子也会通过腐蚀反应进入金属。比如说长期受潮湿海风与盐分侵蚀的海边设施，其紧固件易遭氢脆威胁。

二、紧固件氢脆的生成条件

通常受氢脆影响的材料、氢源、机械应力，是紧固件引发氢脆的三个必要条件。

图3: 延迟氢脆(HE)失效的三个必要条件的交集

典型的紧固件氢脆，发生在碳钢和合金钢的材料中。抗拉强度高于1000MPa、芯部硬度高于320HV的螺栓、螺钉和螺柱；最低表面硬度为450HV的自攻、自挤螺钉；硬度大于40HRC的弹性垫圈等高强度紧固件都存在发生氢脆的风险。

图4:不用应力发生氢脆的可能性

当有哪些条件发生时我们可以判断是氢脆失效(内部氢脆)？通常可以从以下5个方面来判断：

>紧固件芯部硬度不低于洛氏硬度HRC32；

>零件在加工制造过程中与酸接触过；

>失效必须在安装后的一段时间内发生，通常1~24小时；

>零件必须做过无孔隙表面处理（通常是电镀）；

>失效时零件必须承受应力；

三、 紧固件氢脆的实际案例分析

氢脆具有延迟性和隐蔽性，易引发突发性断裂，在航空航天、核电、汽车等领域可能造成重大经济损失和安全隐患。

案例1：风电螺栓氢脆失效

•背景: 某风电场M36螺栓服役3年后发生断裂。

•分析: SEM显示晶间断裂，氢含量检测为2.1 ppm，超标4倍。

•改进: 改用Zn-Ni合金镀层+延长烘烤时间，氢含量降至0.3 ppm。

图5:风力发电紧固件断裂宏观图

案例2：航空钛合金螺钉延迟断裂

•背景: 飞机发动机钛合金螺钉装配后48小时断裂。

•原因: 酸洗过程中氢渗入，未及时除氢。

•解决方案: 采用激光清洗替代酸洗工艺。

图6:航空螺栓断裂示意图

四、5大氢脆的预防与控制措施

氢脆虽不可逆，但可防可控。从材料选择到工艺管控，每一步都需“如履薄冰”。主要可以从5个方面进行预防与控制。

5大详细的预防及优化措施如下:

写在最后

氢脆是制约高强度紧固件应用的瓶颈问题，需从“氢来源控制-材料设计-工艺优化-服役监测”全链条协同解决。氢脆虽不可逆，但可防可控。未来可以结合人工智能与新材料技术，实现氢脆风险的精准预测与主动防控。
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