随着航空工业的快速发展，高强度钢、超高强度钢在航空制造业中得到广泛应用，尤其是飞机的重要受力构件大多选用高强度钢。而钢的氢脆敏感性或氢致后断裂敏感性随其强度增大而升高，尤其抗拉强度大于 1000 MPa 的高强度钢对氢脆问题更加敏感。
当金属材料在加工制造过程以及使用环境中受到氢的侵入，氢会在材料中扩散并聚集，使材料的承载能力降低，塑性下降，在经过一段时间后，材料在低于屈服强度的拉应力作用下突然发生断裂的现象称为氢脆。氢脆是一种瞬间发生的脆性开裂，往往呈现出批次性特征，且以现有的手段难以检测，因此这种断裂的危害性极大，严重威胁着钢制件的使用安全。
半个多世纪以来，国内外研究人员从机理、损伤表现、影响因素以及工程控制等方面对氢脆进行了大量研究，形成了氢压、表面吸附、弱键、氢与位错交互作用等理论。李星国对金属的氢脆及其产生机制进行了研究，总结并提出了消除应力、表面喷丸等提高材料韧性的措施来减少氢脆现象。付雷分析了高强度钢焊接后的充氢对其断裂位置的影响，发现充氢的电流密度越大，拉伸条件下断裂位置从母材区向焊接热影响区转移趋势越明显。目前，对氢脆的研究主要是如何避免工作过程中氢脆的发生，对于零件制造过程及加工方式引起的表面残余应力状态改变及其对氢脆的影响研究还较少开展。
18 件减速小锥齿轮在内径镀铬位置经磨削工序后进行磁粉检测时，发现其中 17 个零件在镀铬区与焊缝区域中间位置存在沿齿轮轴线方向分布的磁痕显示。减速小锥齿轮组件由轴套和减速小锥齿轮惯性摩擦焊焊接而成，材料均为 18CrNi4A，其轴套内径表面镀铬，镀层厚 0.12~0.17 mm。
本研究通过宏微观观察、硬度测试、残余应力测试、氢含量分析等手段，开展工艺试验，分析镀铬工序对氢含量的影响，以及焊接区域加工方式对表面残余应力状态的影响，判断减速小锥齿轮组件裂纹性质和原因，提出改进措施，以避免故障的再次发生。
1、试验过程与结果
宏观观察
故障件宏观形貌见图 1。磁痕显示位于故障件内孔槽镀铬过渡区与摩擦焊接区之间的基体表面(图 1a 中虚线区域)，沿轴向分布(图 1b)，未见其他异常损伤痕迹。
微观观察
沿裂纹处打开，在扫描电镜下观察断面，形貌如图 2 所示。由图 2 可见，裂纹断面与人工断口界限明显，形貌差异明显，裂纹深约 0.52 mm。裂纹断面大致与零件表面垂直，断口整体干净，呈沿晶形貌，未见变色、腐蚀等迹象(图 2a);人工断口呈明显的韧窝特征(图 2b)，两部分断口。
金相组织分析
垂直于裂纹制取横向金相试样(切取图 1b 中虚线标识截面)，可观察到 2 条裂纹，其延伸方向均大致与试样表面垂直。两裂纹均呈沿晶扩展特征，两侧未见氧化、脱碳及腐蚀现象。其中一条裂纹由试样表面向内部延伸，长度为 0.36 mm(图 3a);另一条则位于试样内部，未在表面开口，长度为 0.33 mm(图 3b)。
裂纹附近金相组织为低碳马氏体+少量铁素体，未见异常(图 4a)。沿零件轴向切取金相试样，故障件裂纹区与镀铬区基体以及花键区心部组织均为回火马氏体+铁素体，组织未见异常(图 4b)。
纵向切取故障件内孔槽位置制取金相试样，腐蚀后观察可见，裂纹位置距焊接热影响区约 2.30 mm，距离镀铬区约 0.35 mm(图 5)。焊接熔合区及热影响区未见明显冶金缺陷。
能谱分析
对裂纹断面和人工断口表面进行能谱测试，结果见表 1。材料成分符合 18CrNi4A 的技术要求，断口表面除基体元素外，未见其他异常元素。
显微硬度测试
在金相试样上对镀铬区心部、裂纹区域、花键区域分别进行显微硬度测试，按 GB/T 1172— 1999 将维氏硬度转换成洛氏硬度，结果见表 2。可见各区域硬度差别不大，符合技术要求。
氢含量分析
对零件镀铬区、镀铬过渡区、裂纹区、焊接区和花键区分别取直径为 1 的试样，使用氢分析仪测试氢含量，结果见表 3。
残余应力测试
分别对故障件内孔槽裂纹区、焊接区以及花键区进行残余应力测试，结果见表 4。可见零件该区域均为残余拉应力。
2、分析与讨论
故障件金相组织未见异常，心部硬度符合技术要求，主要合金元素含量基本符合 18CrNi4A 技术要求。焊接熔核区及热影响区未见裂纹、气孔、未焊合等冶金缺陷。
故障件裂纹位于内孔槽镀铬过渡区与焊接区之间的基体表面，均沿轴向大致平行分布;裂纹金相及断口均呈沿晶特征，两侧未见氧化、脱碳、腐蚀等现象，并存在萌生于亚表面的裂纹;断口表面干净，能谱分析也未见异常元素。以上结果显示，该裂纹特征与氢致裂纹特征相符。
故障件各部位的氢含量测试结果显示，镀铬区、镀铬过渡区以及裂纹区域的氢含量均超过 6×10−6。对于一般钢来说，氢含量达到 5×10−6 以上就可能会引起氢致裂纹的产生。因此，对于故障件裂纹部位来说，过高的氢含量为裂纹在该部位萌生提供了内部条件。从应力测试结果来看，零件裂纹区域、焊接区域表面均为拉应力，该位置的表面应力状态为裂纹萌生提供了外部条件。
故障件材料为 18CrNi4A，抗拉强度超过 1300 MPa，属于对氢脆敏感性高的高强钢;故障件的轴套内径镀铬，镀铬工艺本身属于析氢量较高、氢脆倾向大的工艺;该组件为焊接组合件，经过多道的车削、磨削、抛光、酸洗等工序，零件本身承受的残余应力和内部应力相对较大。由此来看，故障件本身的结构和加工工艺特点决定其具有产生氢脆的 3 方面要素，如果过程控制不当，就易引发氢脆。
综上所述，故障件裂纹性质为氢致裂纹，裂纹部位附近过高的氢含量和表面残余拉应力状态的共同作用导致裂纹在该部位萌生。
3、工艺排查及试验
工艺排查
从引入氢元素和表面拉应力状态两方面排查整个加工过程。主要有以下工序：
1)零件内径经镀铬和酸洗。该工序中都是充氢过程，如果工艺控制不当，就会产生氢致裂纹和氢压裂纹。
2)焊接。焊接工艺不合适，引入过量的 H，冷却至室温后会出现焊接冷裂纹，其本质也是氢压裂纹。从检查结果来看，裂纹未发生在焊接区，可排除焊接因素。
3)零件加工。裂纹所在零件区域经焊接并抛光后的粗糙度要求为 0.8，经复测该位置的粗糙度符合要求。但观察零件实物，该区域存在明显的圆周方向的加工刀痕，无抛光痕迹，判断该区域未进行抛光工序。经复查原技术要求，抛光工序为关键过程，要求仔细进行抛光，但抛光工序的作用不明确。
复查工艺要求，零件内轴径焊缝区域共经历 3 道磨削工序，每次磨削后均要进行消除应力处理。核对该零件加工过程，实际采用以车代磨的连续加工工序，合并单道车削工序后进行消除应力。
综合以上分析，通过开展工艺试验确定镀铬时间及镀铬工艺本身对零件不同位置氢含量的影响，确定加工过程中不同工序对表面残余应力状态的影响，从而确定更加合理的工艺路线和工艺参数，避免氢脆现象的发生。
工艺试验及结果
1)镀铬工艺、镀铬时间对氢含量的影响
在镀铬工序前后分别对零件不同区域的氢含量进行测试，结果见图 6。
经不同镀铬时间后，镀铬区域的氢含量测试结果见图 7。
由图 6 可知，在镀铬工序前，零件基体不同区域的氢含量差别不大且水平较低，最高仅为 6.1×10−6 ;经过镀铬工序后，镀铬区域的氢含量明显升高，由 3.6×10−6 上升到 19.4×10−6 ，且远高于非镀铬区。由图 7 可知，随着镀铬时间的延长，零件镀铬区域的氢含量也明显升高。由此可知，镀铬工序会将 H 引入零件基体，故在满足镀层厚度要求的基础上，应严格控制镀铬时间，以减少该工序过程中引入的 H。
2)焊接前后残余应力影响试验
惯性摩擦焊工序前后，分别对零件焊接区域及其附近进行表面残余应力测试，结果见图 8。由图 8 可知，经焊接工序后，焊接区域及其附近表面应力状态均由压应力转变为拉应力;而远离焊接位置的区域表面残余应力值与焊接前相当，未发生明显变化。因此，焊接后若残余拉应力消除不及时或不彻底，都会对零件后续应力状态产生不利影响。
3)抛光、车削工艺对焊缝区域残余应力影响对比试验
对零件的焊接区域在经历焊接、消除应力、车削加工以及抛光工序后，分别进行表面残余应力测试，结果见图 9。由图 9 可知，焊接工序后的表面拉应力达到最大值 528.0 MPa;消除应力工序后，拉应力明显降低至 258.0 MPa，说明消除应力工序可有效降低零件应力水平。每次车削工序后，零件表面应力状态约为拉应力 150.0 MPa。零件仅在每次经历抛光工序后，表面应力状态由拉 应力转变为压应力，表明抛光工序可有效改变基体表面应力状态，预防氢脆现象的发生。
参考以上工艺试验结果，为了避免零件氢脆现象的发生，采取如下措施：控制镀铬的时间;焊接后及时进行消除应力;严格按照工艺规程要求进行抛光工序。采用改进后的工艺进行了 2 批次共 40 件零件的生产，所有零件镀铬磨削后均未再出现磁痕显示。
4、结论
1)减速小锥齿轮组件裂纹性质为氢致脆性裂纹。
2)裂纹部位附近过高的氢含量和表面残余拉应力状态的共同作用导致裂纹的萌生。
3)控制镀铬的时间，及时除氢和消除应力，控制焊接位置加工方式，可有效避免氢脆故障的发生。
参考文献略.