紧固件的氢脆化测试方法.pdf
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1、 1 緊固件的氫脆化測試方法 Hydrogen Embrittlement Testing Method of Fasteners 1. 前言:前言: 當氫原子進入鋼和其它金屬中,它會存在於材料的結晶上,當對金屬施予應力時, 會因此而降低金屬的延展性或負荷承受性能。氫脆是延遲性的破壞,由於鋼中氫存在於應 力集中部位,直到發生延遲破壞需要若干時間,而在一般的機械特性測試上往往忽略及遺 漏了延展性的重要性,也無法在短時間的試驗測出延遲破壞的傾向,使得緊固件雖在滿意 的機械特性狀態或標準的設計強度下(如硬度、降伏強度應力、衝擊等等)仍產生破裂,經 常是由很微小的裂痕造成突然間的崩壞。這種現象在合金上
2、時常歸於氫效應延遲破壞、氫 應力裂痕或氫脆。 氫脆化在緊固件來說可能是最壞的問題發生原因之一,因為它是延遲破壞。通常在 組裝 24 小時後發生,但沒有一定的準確時間。商用的緊固件種類在電鍍後且具有洛氏 C 34 或以上的硬度容易引起氫脆的失敗。這些種類包括自攻螺絲、彈簧華司、Sems(組合華 司的自攻螺絲)、螺帽組合華司(Keps or Conical Assembly Nuts)、Grade 8 螺栓和所有的承 窩螺絲產品。 2. 產生氫脆化的主要因素:產生氫脆化的主要因素:種種跡象顯示氫脆的潛在傾向與產品作表面處理及鋼內碳含量以 及產品的硬度有關且成正比 。 參考各規範及相關論文的研究結果
3、顯示當產品脆性增加以及 酸液浸洗是造成氫脆化的主要因素。產品在經過冷鍛或冷加工後再硬化熱處理,使產品的 脆性增加,對氫脆損害特別敏感。酸洗、磷酸鹽、電鍍、自動反應的過程和在大自然環境 中使用,如陰極保護反應或腐蝕也會導致同樣的結果。 在緊固件上來說,通常在 Grade 2 的螺栓或螺絲同意使用電鍍,事實上也無氫脆化 的傾向,因為這些產品都是低碳鋼以及無硬化。 Grade 5 電鍍後的螺栓或螺絲就很有可 能有氫脆化的問題產生,這些產品都是使用中碳鋼製造以及硬化處理到最高 C 34 的硬 度,但仍未聽說有氫脆化的事情產生。Grade 8 電鍍後的螺栓或螺絲就有氫脆化的傾向, 這些是使用中碳合金鋼製
4、造及硬化處理到最高 C 39 的硬度。承窩螺絲也是使用中碳合金 鋼製造,硬化處理到最高 C 45 的硬度,在所有標準種類的螺栓或螺絲中,電鍍後的承窩 螺絲有最高的氫脆化失敗的可能性。 對於產品的破壞是否為氫脆所造成,有一個較簡單的判斷方法,那就是如果螺絲或 螺栓在裝置後 1 到 48 小時內破壞,且其破壞在頭部與桿部以及螺紋與桿部的交接位置那 大概就是氫脆化破壞。如果螺絲在裝置一段時間後破壞,這大概就是氫脆以外的問題。若 是從組織上來觀察,氫脆化破斷面為一種粒界破裂。 3. 緊固件的氫脆化測試方法:緊固件的氫脆化測試方法:測試觀念是設計在緊固件的最大應力下實施一個模擬的實際狀 況。應力通常達到
5、緊固件的一特定的旋緊度或預先計算的扭矩值。使零件保持在如此的應 力裝置下 24 或 48 小時再旋緊 。 如果任何緊固件在測試過程中或當再旋緊時氫脆破壞則這 零件應再烘烤和再測試直到合格為止。本文僅針對螺栓、螺絲、牙條、自攻螺絲(及組合 華司)、華司、螺帽(及組合華司)等規範及相關論文之要求作一說明。 2 3.1 參考規範:下列為緊固件氫脆化測試方法的相關規範。 ASTM F606/F606M2000/1998:決定內外螺紋緊固件、墊圈及鉚釘之機械性質的標準 測試方法。 ANSI/ASME B18.6.4/ B18.6.5M1998:螺紋成型,螺紋切削和金屬攻入自攻螺絲。 SAE J81/J1
6、2371997/1996:螺紋滾牙自攻螺絲。 SAE J781996 自鑽螺絲。 SAE J7731998 錐形彈性華司。 SAE J2381998 螺帽和組裝的錐形(Conical)彈性華司。 FIP 10001988 自攻螺絲的功能性規定。 3.2 一般機械牙螺栓(絲)及牙條的氫脆性測試方法:螺栓的延遲破壞是從應力集中部位發生, 最常發生在頭下與桿部交接及螺紋與桿部交接之不完全螺紋部位。ASTM F606/606M 的 第 7 段中規定了外螺紋緊固件,在金屬披覆後的氫脆性測試方法,如下: 3.2.1 測試儀器及裝置: ? 扭力軸力機(Torque - Tension) ? 扭力扳手(Tor
7、que Wrench) ? 測試楔形墊片:板子應為鋼製,厚度是讓鎖上螺栓後仍至少留有三個完整螺紋在 外。板上孔應盡可能的和所測螺栓之外徑接近,但不能夠大於墊 圈的孔徑。氫脆性測試時,外螺紋緊固件應裝入一楔形墊片中, 其角度如下表: 表 1. 氫脆性測試楔形墊片的角度 螺絲公稱尺寸直徑 螺樁和扣件無螺紋的 長度在 2 倍直徑以下 螺樁和扣件無螺紋的長 度為 2 倍徑以上長(含) 1/4” - 3/4” 4O 6O 超過 3/4” - 1-1/2” 0O 4O ? 硬化墊圈(Harden Washer):硬化墊圈應依 ASTM F436 規範要求一致。表面粗糙度 16in(0.40m)以下。 ?
8、硬化螺帽:最好有 1 倍公稱徑以上厚度以確保能鎖緊到規定扭矩值。 3.2.2 測試方法: ? 將螺栓、螺絲、牙條(當測試之螺樁兩邊的牙距不同時,螺紋較細的一端應鎖上螺 帽,而當作頭部之末端)裝入扭力軸力機中,套入墊圈再組合上一個已硬化的螺帽。 用扭力扳手鎖緊螺帽使達樣品規定的最小抗拉強度的 75%,此時記錄其鎖緊扭力。 如圖 1 所示。 3 圖 1. 決定鎖緊扭矩裝置 ? 任意從待測樣品批中選出三支出來,並測試及計算出三個扭力的平均數,即為鎖緊 扭力。如此組合應持續 48 小時在鎖緊狀態。 ? 拆卸時,如果用扭力方法鎖緊的,應使用原扭力扳手卸出扣件,量測卸出螺帽所需 之扭力不得少於初次鎖緊扭力
9、的 90%。如果鎖緊用的是直接拉力方法,則在測試期 間損失的鎖緊強度( 以磅計 )應不超過第一次鎖緊負荷的 10%。 ? 48 小時後經卸下之測試樣品若可以用目視發現其脆化導致的斷裂(如頭部斷裂),或 以 20 倍以上之放大鏡檢查有裂紋產生於桿部,牙部或於頭頸交接處則判定不合格。 圖 2. 試驗治具 註 1 : 因經驗的緣故上面所示測試夾具系對負荷下的單獨螺栓,然而,測試夾具可設計有多 數的測試位置。 註 2 :當做此試驗時要特注意,脆化螺絲的頭部有可能突然斷掉變成飛行的發射物能造成嚴重 的傷害或失明. 4 表 2. 承窩頭螺絲氫脆化測試建議鎖緊扭矩 UNRC UNRF 公稱尺寸 基本直徑 i
10、n. 應力面積 in2 扭矩 lb-in 應力面積 in2 扭矩 lb-in #1 0.073 0.00263 5 . 2 0.00278 5 . 5 #2 0.086 0.00370 8 . 6 0.00394 9 . 1 #3 0.099 0.00487 1 3 0.00523 1 4 #4 0.112 0.00604 1 8 0.00661 2 0 #5 0.125 0.00796 2 7 0.00830 2 8 #6 0.138 0.00909 3 4 0.01015 3 8 #8 0.164 0.0140 6 2 0.01474 6 5 #10 0.190 0.0175 9 0 0.
11、0200 1 0 3 1/4 0.250 0.0318 2 1 5 0.0364 2 4 6 5/16 0.3125 0.0524 4 4 2 0.0580 4 8 9 3/8 0.375 0.0775 7 8 5 0.0878 8 8 9 7/16 0.4375 0.1063 1 2 5 6 0.1187 1 4 0 2 1/2 0.500 0.1419 1 9 1 6 0.1599 2 1 5 9 5/8 0.625 0.226 3 6 0 2 0.2560 4 0 8 0 3/4 0.750 0.334 6 3 8 8 0.3730 7 1 3 4 7/8 0.875 0.462 1 0
12、 3 0 8 0.509 1 1 3 5 7 1 1.000 0.606 1 5 4 5 3 0.663 1 6 9 0 7 1-1/4 1.250 0.763 2 4 3 2 0 0.856 2 7 2 8 5 1-1/2 1.500 0.969 3 7 0 6 4 1.073 4 1 0 4 2 表中扭矩值是使用 75%之最小抗拉荷重,以及摩擦係數使用 0.20 計算。 3.3 自攻螺絲氫脆化測試方法:碳鋼自攻螺絲由低碳鋼所製成,當客戶有要求時亦有使用中 碳鋼製造者,但大部份使用 C1018 C1022 材料。自攻螺絲需經滲碳熱處理以獲得非常 硬之表面以便進行螺紋攻入成型或切削。經滲碳及調
13、質熱處理後,一般來說心部硬度在 28 38 之間;表面硬度需達 45HRC 以上。鑽尾螺絲的表面硬度及心部硬度要比一般自 攻螺絲高一點(SAE J78 要求表面硬度須有 50 56HRC),這是因為鑽尾螺絲多了一個鑽 孔之作業。自攻螺絲雖然是使用低碳鋼製造,但在如此的滲碳處理及硬度下再經表面披 覆處理後,很容易產生氫脆性。在緊固件來說,這是最容易發生氫脆的一群。 3.3.1 測試儀器及裝置: ? 扭力扳手(Torque Wrench) ? 無攻牙的測試鐵板:適用於自攻螺紋(Type A、AB、B)。測試鐵板尺寸如表 3。 ? 已攻牙的硬化鋼板:適用於機械螺紋(Type C 及三角螺紋)。鋼板厚
14、度約為 1.5 倍公稱直徑。 ? 墊圈或間隔片( Washer or Spacers):一般的平華司或冷軋鋼製的間隔片。 ? 硬化螺帽:最好有 1 倍公稱徑以上厚度。 5 3.3.2 測試方法: ? ANSI/ASME B18.6.4 / FIP1000 規定之自攻螺絲的氫脆化測試方法:將螺絲應裝入如 表 3 所規定之測試鐵板和鋼製的平華司中,突出頭型螺絲頭下承面使用標準的平華 司,埋頭型(Oval)螺絲使用一相配合之有倒角間隔鋼片。裝在頭下承面之平華司或 間隔片的厚度應能符合螺絲的最大無效牙長度。對於半牙之長螺絲,其柄部可以使 用較長之冷軋鋼製的間隔片或平華司支撐,以保証完全牙部份可以結合並
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