钛合金紧固件的氢脆！
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氢渗入金属材料后，会导致金属损伤，使金属零件在低于材料屈服极限的应力作用下发生脆性断裂失效，这种现象就称为“氢脆”。
金属氢脆，表现形式主要有两大类：一类是延迟断裂；另一类是材料性能变坏、变脆。
合金钢氢脆的主要表现形式，是前者，而钛合金氢脆的主要表现形式，是后者。
01
钛合金氢脆的机理
合金钢发生氢脆断裂的机理是：当一定量的氢渗入合金钢材料后，以游离态氢原子、氢离子等形态在材料中游离，从低应力区向高应力区聚集，向材料中的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷处聚集，互相结合形成氢分子，从而使氢的压力增大。
当压力达到一定程度后，材料的微裂纹就会扩大、延伸，以释放压力，而氢分子则以氢气的形式逸出材料。
在拉应力作用下，游离氢继续向新扩展的微裂纹聚集、增压，使其继续扩展，最后演变成更大的裂纹。反复聚集，裂纹反复扩展、增大、延伸，最终导致材料断裂。整个过程需要一定的时间，这就形成了所谓的“延迟断裂”。
钛合金的氢脆的机理与特点不同于合金钢，钛合金中的氢不能以分子形态渗入钛基体，而是与钛合金表面接触后，首先发生表面物理吸附和化学吸附(活性吸附)，氢分子离解出氢原子，氢原子便以极快的速度向钛合金基体内部扩散。
当吸氢量超过其最大溶解度时，扩散到钛中的氢原子就会以固溶状态或氢化物形式存在。氢原子在钛合金中扩散后的分布并不是均匀的，而是有一定的“偏聚”。
与合金钢类似，材料的缺陷(如位错、晶界、沉淀相或夹杂物与基体相界面、气孔、微裂纹等)是氢喜欢聚集的地方，往往也是氢脆的断裂源。
02
钛合金氢脆的分类
第一类氢脆的典型形式就是氢化物氢脆。含氢的α钛发生冷却或者含氢的β钛共析分解时，都会析出新的化合物氢化钛(TiH)。
氢化钛是一种稳定的脆性物质，它与基体晶粒之间的结合力相对较弱，二者的弹性、塑性差异较大，受到应力后的应变不协调，基体晶粒与氢化钛晶粒之间的界面就会产生微裂纹，这种裂纹一般沿晶间迅速扩展、扩大，最终导致材料断裂。
第二类氢脆与变形速度有关，氢脆敏感性随变形速度的增加而下降。氢脆的裂纹源是在应力和氢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。可逆性氢脆存在于(α+β)钛合金中，是一种复杂的氢脆现象。
当(α+β)钛合金的溶氢量未超过极限溶解度时，氢处于固溶状态，在此状态下材料进行低速变形，而后卸载、静止，再进行高速拉伸，材料的塑性可以得以恢复。但是对材料再进行连续缓慢加载，或者持续施加静载荷，延续一段时间后，材料就会发生突然断裂(亦即“延迟断裂”)。
如果对断裂重新进行常规的性能试验，会发现材料仍具有正常的塑性和瞬时强度，这种现象在钛合金紧固件中很少见。
03
钛合金紧固件氢的来源
钛合金在冶炼过程中，海绵钛中的氢、含氢化合物以及冶炼、浇铸等过程都会带入氢或氢气氛，这是氢进入钛合金的主要渠道。
钛合金紧固件在机械加工过程中接触到含氢介质，包括水气、脱模润滑剂、冷却液等，都会使氢附到零件表面，进而渗入材料内部。
钛合金紧固件在热处理过程中接触了含氢或含水的气氛或淬火介质。
钛合金紧固件在除油、酸洗、阳极氧化加工等过程中接触了含氢介质，其中酸洗对于氢脆敏感的高强度钛合金来说，吸氢效果更为显著。
一般将以上除第1项之外的其余3项统称为“氢污染”。
04
钛合金紧固件的氢脆检测
从钛合金氢脆机理的分析可知，钛合金的氢脆主要取决于它吸氢的多少，或者说他的氢含量。因此检测钛合金的氢含量就是判定钛合金紧同件是否会发生氢脆的主要方法。
目前，国内及国外的钛合金紧固件标准一般将含氢量控制在125ppm以内，基本能够确保各类钛合金螺栓的氢脆安全性。
至于螺母、垫圈、环槽铆钉(钉杆)等产品，只要在安装时不发生大变形，其氢含量指标可参考螺栓标准，取小于或等于125ppm即可；而对于安装时需要大变形的普通铆钉、螺纹空心铆钉等产品，可考虑加严控制，取小于或等于85ppm。
钛合金氢含量的检测方法很多，但目前只能按照相应紧同件产品标准规定的方法，采用真空熔化法或者真空提取法。
具体操作是：在规定的特定部位取样，碾碎成粉末后，放入密闭的坩埚容器中高温加热到2000℃左右，使材料中的氢全部析出，然后用标准物质比对确定氢含量。
为了保证所测氢含量的准确性，制备的试样一定要保持清洁，清除紧固件表面所有异物，包括润滑层。润滑层中一般都含有高分子有机化合物(如环氧树脂、酚醛树脂等)，而这些物质基本成分都是碳氢化合物。
常温下这些碳氢化合物不会分解，而在2000℃的高温环境中，碳氢化合物就会分解而析出氢，这就大大加氢的实测值，而这个实测值根本不能反映紧固件材料的实际氢含量。
钛合金紧固件氢含量的检测样本取1件即可。多年的经验表明，在同一检查批中，各个样件的检查结果误差大致在1ppm左右，非常一致。
05
钛合金紧固件的氢脆预防
根据钛合金紧固件的氢脆机理，预防钛合金紧固件氢脆断裂的技术措施，应该是严格控制紧固件材料中的氢含量。具体从以下几个方面加以控制：
严格控制原材料的氢含量
紧固件中的氢主要源于原材料的冶炼，因此必须严格控制原材料的氢含量。材料在入厂复验时，不能只进行机械性能检验，还必须进行氢含量的复验，以保证用于生产的钛合金材料氢含量符合相应材料标准的规定，生产出的紧固件才有可能符合产品的氢含量要求。
控制紧固件制造过程中和使用状态下的氢污染
紧固件的制造加工往往需要拉拔、挤压、镦锻、螺纹成形等压力加工工艺，需要热处理、清洗、表面阳极氧化处理等热、表加工。
在这些加工过程中，零件半成品不可避免地会与润滑剂、脱模剂等酸类物质接触，造成零件表面氢污染，进而发生氢渗入。为了预防紧固件的氢脆，在这些过程中应采取有效措施，减轻氢污染。
例如，尽量避免或减少金属材料与空气的直接接触，经过压力加工后的坯件应尽快清洗干净，清除紧固件表面污物时尽量不用酸洗工艺，尤其是不能采用浓酸洗。
为了避免钛合金紧固件在贮存、运输、工作环境下发生氢污染，一般都需要进行阳极氧化处理使零件表形成一层氧化膜，使其与空气物理隔离，氧化层有蓝色、金黄色、灰褐色等多种。
钛合金紧固件出厂前，必须进行氢含量检测。对于经过固溶、时效热处理，强度较高的钛合金紧固件尤为重要。