鈦合金緊固件的氫脆！

氫滲入金屬材料后，會導致金屬損傷，使金屬零件在低于材料屈服極限的應力作用下發生脆性斷裂失效，這種現象就稱為“氫脆”。

金屬氫脆，表現形式主要有兩大類：一類是延遲斷裂；另一類是材料性能變壞、變脆。

合金鋼氫脆的主要表現形式，是前者，而鈦合金氫脆的主要表現形式，是后者。

01 鈦合金氫脆的機理

合金鋼發生氫脆斷裂的機理是：當一定量的氫滲入合金鋼材料后，以游離態氫原子、氫離子等形態在材料中游離，從低應力區向高應力區聚集，向材料中的氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷處聚集，互相結合形成氫分子，從而使氫的壓力增大。

當壓力達到一定程度后，材料的微裂紋就會擴大、延伸，以釋放壓力，而氫分子則以氫氣的形式逸出材料。

在拉應力作用下，游離氫繼續向新擴展的微裂紋聚集、增壓，使其繼續擴展，最后演變成更大的裂紋。反復聚集，裂紋反復擴展、增大、延伸，最終導致材料斷裂。整個過程需要一定的時間，這就形成了所謂的“延遲斷裂”。

鈦合金的氫脆的機理與特點不同于合金鋼，鈦合金中的氫不能以分子形態滲入鈦基體，而是與鈦合金表面接觸后，首先發生表面物理吸附和化學吸附(活性吸附)，氫分子離解出氫原子，氫原子便以極快的速度向鈦合金基體內部擴散。

當吸氫量超過其最大溶解度時，擴散到鈦中的氫原子就會以固溶狀態或氫化物形式存在。氫原子在鈦合金中擴散后的分布并不是均勻的，而是有一定的“偏聚”。

與合金鋼類似，材料的缺陷(如位錯、晶界、沉淀相或夾雜物與基體相界面、氣孔、微裂紋等)是氫喜歡聚集的地方，往往也是氫脆的斷裂源。

02 鈦合金氫脆的分類

第一類氫脆的典型形式就是氫化物氫脆。含氫的α鈦發生冷卻或者含氫的β鈦共析分解時，都會析出新的化合物氫化鈦(TiH)。

氫化鈦是一種穩定的脆性物質，它與基體晶粒之間的結合力相對較弱，二者的彈性、塑性差異較大，受到應力后的應變不協調，基體晶粒與氫化鈦晶粒之間的界面就會產生微裂紋，這種裂紋一般沿晶間迅速擴展、擴大，最終導致材料斷裂。

第二類氫脆與變形速度有關，氫脆敏感性隨變形速度的增加而下降。氫脆的裂紋源是在應力和氫的相互作用下逐步形成的，其中有些是可逆的，有些是不可逆的。可逆性氫脆存在于(α+β)鈦合金中，是一種復雜的氫脆現象。

當(α+β)鈦合金的溶氫量未超過極限溶解度時，氫處于固溶狀態，在此狀態下材料進行低速變形，而后卸載、靜止，再進行高速拉伸，材料的塑性可以得以恢復。但是對材料再進行連續緩慢加載，或者持續施加靜載荷，延續一段時間后，材料就會發生突然斷裂(亦即“延遲斷裂”)。

如果對斷裂重新進行常規的性能試驗，會發現材料仍具有正常的塑性和瞬時強度，這種現象在鈦合金緊固件中很少見。

03 鈦合金緊固件氫的來源

一般將以上除第1項之外的其余3項統稱為“氫污染”。

04 鈦合金緊固件的氫脆檢測

從鈦合金氫脆機理的分析可知，鈦合金的氫脆主要取決于它吸氫的多少，或者說他的氫含量。因此檢測鈦合金的氫含量就是判定鈦合金緊同件是否會發生氫脆的主要方法。

目前，國內及國外的鈦合金緊固件標準一般將含氫量控制在125ppm以內，基本能夠確保各類鈦合金螺栓的氫脆安全性。

至于螺母、墊圈、環槽鉚釘(釘桿)等產品，只要在安裝時不發生大變形，其氫含量指標可參考螺栓標準，取小于或等于125ppm即可；而對于安裝時需要大變形的普通鉚釘、螺紋空心鉚釘等產品，可考慮加嚴控制，取小于或等于85ppm。

鈦合金氫含量的檢測方法很多，但目前只能按照相應緊同件產品標準規定的方法，采用真空熔化法或者真空提取法。

具體操作是：在規定的特定部位取樣，碾碎成粉末后，放入密閉的坩堝容器中高溫加熱到2000℃左右，使材料中的氫全部析出，然后用標準物質比對確定氫含量。

在進行緊固件氫含量檢測時，要注意：

為了保證所測氫含量的準確性，制備的試樣一定要保持清潔，清除緊固件表面所有異物，包括潤滑層。潤滑層中一般都含有高分子有機化合物(如環氧樹脂、酚醛樹脂等)，而這些物質基本成分都是碳氫化合物。

常溫下這些碳氫化合物不會分解，而在2000℃的高溫環境中，碳氫化合物就會分解而析出氫，這就大大加氫的實測值，而這個實測值根本不能反映緊固件材料的實際氫含量。