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热镀工艺相关的脆性

与热镀工艺相关的脆性有三种,分别是氢脆(Hydrogen embrittlement,(HE))、液态金属脆性(Liquid Metal Embrittlement (LME)),和应变时效脆性(Strain Age Embrittlement)。今天我们先聊聊氢脆。


被钢吸收的氢原子,聚集在钢的晶粒之间或缺陷位置,并最终导致钢开裂,这种现象被称为氢脆。


1 :氢原子诱捕机制


图2:氢诱脆性和氢气泡的形成


图3:金属微裂纹截面的计算机模拟图,白色的为氢原子

(Photo:McGill University)


热镀锌开裂案例


尽管钢会在热镀锌过程中通常会吸收氢原子,但由于锌锅中锌的温度较高,因此,被加热的钢中的氢原子,常常会在高温下逸出。


但是,在某些特定情况下,例如钢的晶粒尺寸太细小时,即使在热镀温度下,氢原子也无法逃逸,这将会导致氢原子聚集在晶界或缺陷位置,晶界或缺陷位置处的局部应力上升,并最终导致零件的开裂。


图4:高强钢焊缝热影响区热镀后发生的氢脆


对于抗拉强度小于150ksi(1040 MPa)的钢,其晶粒尺寸通常足够大,允许高温下氢原子的逸出;但对于抗拉强度大于等于150ksi(1040 MPa)的钢,氢原子很可能被锁定在晶界之间,无法逸出产生氢脆。氢脆是不会及时表现出来的,只有当零件承受载荷时,才会观察到氢脆的发生。


而热镀锌时应变时效脆性,则是在完成热镀后短期内就发生了。


也就是说,应变时效脆性在热镀完成后就可以观测到,而氢脆在热镀完成后是观测不到的,只有在钢承受一定载荷,并持续一段时间后才能观察到。


避免零件热度氢脆的方法


1、最简单的方法是选择抗拉强度在150ksi(1040 MPa)以下的钢,就像先前所说的,这类钢的晶粒足够大,允许被吸收的氢原子在热镀温度下逃逸。


2、当不得不对高强钢零件进行热镀时,也可对热镀工艺进行调整,降低氢脆发生的概率。比如,缩短酸洗时间。


3、除此以外,可调整的工艺还包括:对零件进行机械清洗(例如喷丸),随后进行快速酸洗 (在酸洗池的停留时间不大于30s)。


快速酸洗的目的是为了清理喷丸作业的残留物,降低钢零件暴露的氢原子的总量,减少氢原子被高强钢超细晶粒吸收的机会。

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