1 引言

在现代工业制造与工程应用领域，随着对零部件机械性能要求的不断提升，高强度和超高强度钢螺栓因其优异的承载能力和可靠性，被广泛应用于汽车制造、航空航天、重型机械等关键场合。然而，这类螺栓在实际生产与服役过程中，往往面临着一种隐蔽且危害性极大的失效形式——氢脆。所谓氢脆，是指原子氢渗透进入钢材内部后，在应力的共同作用下，导致材料的塑性（延性）显著下降，甚至在没有明显预兆的情况下发生脆性断裂。这种现象对于高强度级别的钢材尤为突出，材料的强度等级越高，其对氢致脆性断裂的敏感程度也随之上升，失效风险显著增加。

值得关注的是，氢脆的发生通常具有延迟性和条件依赖性。它往往并不在材料承受快速、瞬时的高载荷时立即显现，而是在受到持续或缓慢增加的拉伸应力时，才会逐步暴露出其脆化效应。正因如此，在常规的材料力学性能测试中，例如依据DIN EN ISO 6892-1标准进行的传统快速拉伸试验，由于加载速率较快，材料往往在短时间内即达到断裂，氢的有害作用尚未充分表现出来，从而容易被忽略或低估。这种检测方法的局限性，可能导致在实际应用中使用了存在潜在氢脆风险的零部件，给设备运行和人员安全带来巨大隐患。

为了有效识别和评估高强度及超高强度钢螺栓的氢脆敏感性，德国汽车工业协会（VDA）制定并发布了VDA 235-207标准，明确提出采用慢应变速率拉伸试验作为核心评价手段。该试验方法通过控制拉伸速率极低，使材料在加载过程中有充足的时间暴露氢的影响，从而更真实地反映材料在氢环境下的力学行为。本文旨在以该标准为技术依据，系统、全面地阐述慢应变速率拉伸试验的具体操作流程，包括试样准备、氢充载方式、试验参数设定等关键环节；详细说明如何科学确定拉伸速率，以确保试验结果的准确性和可比性；并深入解析试验数据的评价方法与判定依据。此外，还将结合标准附录中的技术资料，为工程技术人员在实际工作中应用该方法提供系统性的指导和参考。

2 测试原理

慢应变速率拉伸试验通过对比未经充氢和经充氢处理的两组试样在拉伸过程中的力-伸长曲线，计算氢脆敏感性特征值 。该特征值定义为：

其中， 为未充氢试样的平均断裂功（力-伸长曲线下的面积）， 为充氢试样的平均断裂功。 取值在0到1之间，0表示无氢脆敏感性，1表示最大敏感性。

3 测试步骤

3.1 试样的选取与预处理

在进行慢应变速率拉伸试验前，试样的状态直接决定了测试结果的代表性与有效性。因此，对试样的筛选和准备有着严格的规定。

试样的基本规定： 用于试验的螺栓必须是已完成全部生产工艺的成品件，表面不得带有任何涂层，且需彻底清除油脂。其规格限定在公称直径M5至M24之间。同时，螺栓必须满足一个关键的几何条件：即自由承载螺纹的长度（）应不小于螺纹公称直径的1.2倍（），以确保在拉伸过程中有足够的螺纹区域参与承载与变形。

关于机械加工的特别限制： 为了适配不同类型的拉伸试验机夹具，允许对螺栓头部进行微量的机械加工，例如将法兰盘外径车削至与夹具内径相匹配的尺寸。然而，必须严格遵守一条红线：任何位于力传递路径上的关键区域都严禁进行加工处理。这些区域包括但不限于整个螺纹段、光杆部分以及连接头部与杆部的过渡圆角。对这些部位的加工会改变其应力分布状态，引入额外的应力集中，从而干扰甚至扭曲对氢脆敏感性的真实评估。

清洁工艺： 试样的清洁度是排除干扰因素的前提。必须采用超声波清洗设备，配合中性清洗剂或无水酒精，彻底去除试样表面的油脂和污渍。清洗完成后，需对试样进行干燥处理，但必须严格禁止使用加热方式（如电吹风、烘箱）进行干燥，以免因温度升高导致试样内部微观结构发生变化或引入不必要的热应力。

3.2 氢充载（人工充氢过程）

为了模拟和加速氢在材料中的渗透过程，需要对试样进行人工充氢处理。这一过程必须精确控制，以确保结果的复现性。

充氢介质与环境： 试验采用浓度为37%的盐酸作为充氢介质。整个酸液体系的环境温度必须稳定控制在 (22 ±4℃的范围内，温度的波动会直接影响氢的吸附与扩散速率。

充氢时间： 试样必须完全浸没在盐酸溶液中，浸泡时间严格设定为  分钟。从试样接触酸液的那一刻起开始计时，时间的精确控制对于保证每次试验的氢摄入量一致至关重要。

装置与操作规范： 充氢操作应在耐腐蚀的容器（如塑料量筒）中进行。容器的选择需确保试样（特别是待评估的螺纹区和头下圆角区）能被溶液无死角地完全浸没。为了保证充氢效果的稳定性和不受尺寸效应影响，酸液的用量需与试样的表面积成比例，推荐的比例范围为每平方厘米表面积对应2至5毫升的酸液。最重要的是，每一件试样都必须在新鲜的酸液中进行单独充氢，以避免先前溶解的金属离子对后续充氢效果产生干扰。

充氢后处理流程： 当预定的浸泡时间结束后，应立即将酸液倒出并妥善处置。随后，需迅速将试样转移至盛有2至3升清水的容器中进行初步漂洗，以稀释并去除表面残留的大部分酸液。紧接着，用流动的自来水对试样进行二次冲洗。最后一道工序是使用洁净的压缩空气将试样表面的水分彻底吹干。在此过程中，同样严禁使用热风干燥，以防止氢的过早逸出或局部受热。

时间窗口的严格控制： 充氢后处理完成的那一刻起，便进入了一个极为关键的时间窗口。从充氢结束到试样被安装在拉伸试验机上并开始承受拉伸载荷，这一间隔时间必须精确地控制在10至15分钟之间。这一规定旨在最大限度地减少氢从试样内部向外扩散的损失，确保拉伸测试时试样中仍保持着较高且一致的氢浓度。

3.3 拉伸试验的执行

拉伸试验是整个评估流程的核心环节，其执行的一致性对于获得可比性数据至关重要。

试验设备要求： 为了消除设备差异带来的系统误差，未充氢的参考试样和已充氢的处理试样必须在同一台拉伸试验机上进行测试。除加载速率（即应变速率）这一核心变量需按标准分别设定外，其余所有试验参数（如夹具类型、数据采集频率等）均应保持一致。

试验环境温度： 整个拉伸测试过程应在标准的室温环境下进行，环境温度需控制在 (23 ±5℃ 的范围内。

试验长度（）的界定： 试验长度是计算应变速率的基础，它被定义为试样在承受拉伸载荷时发生主要均匀伸长变形的区段长度。对于螺栓这类带有螺纹的试样，通常取其在夹具之间未被约束的自由承载螺纹长度（）作为试验长度 。这一界定方法基于一个假设：即螺纹头部和与螺母啮合部分的变形相对于自由螺纹段可以忽略。如果在某些高精度研究中对变形分布有更严格的要求，则可以依据VDI 2230-1技术规程，通过计算引入头部等效伸长长度和啮合螺纹等效伸长长度，对试验长度进行更精确的修正。

未充氢试样：按照DIN EN ISO 6892-1进行，采用估计应变速率法，设定应变速率 ，相对公差±20%。

充氢试样：按照DIN EN ISO 7539-7进行，设定应变速率 ，相对公差±20%。此速率下试验持续时间约为3～6小时。

统计要求：每组试样应选取足够数量以保证统计有效性。

4 拉伸速度的确定

在慢应变速率拉伸试验的技术实施过程中，加载速率的设定是决定试验成败的核心参数之一。由于材料力学试验机通常以横梁位移速度（即十字头移动速度 ）作为直接控制变量，而材料本构行为对应的是应变速率，因此需要通过理论换算建立二者之间的联系。

换算关系基于一个简化的物理模型：假定试样在试验长度  范围内发生均匀的拉伸变形，且该区域的变形占整个试样系统总变形的绝大部分。在这一前提下，横梁移动速度  与试样标距段内的应变速率  之间满足以下比例关系：

式中， 为试样的试验长度，对于螺栓试样而言，通常指自由承载螺纹段的长度 。这一换算关系是连接试验机控制参数与材料力学响应之间的桥梁，也是确保不同实验室、不同规格试样之间数据可比性的基础。

针对两类不同处理的试样，标准规定了截然不同的应变速率取值，其背后蕴含着深刻的物

理冶金学考量：

未充氢参考试样的加载速率
对于未经过氢充载处理的对比试样，试验的核心目的是建立材料的基准力学性能，即在不考虑氢影响的前提下，获取材料的原始强度、塑性和断裂功。为此，试验采用相对较高的应变速率，具体取值为 。这一速率与常规静态拉伸试验（如DIN EN ISO 6892-1）的加载速率相当，能够在较短时间内完成试验，快速获取稳定的基准数据，为后续评价氢致损伤程度提供参照系。

充氢试样的加载速率
对于已经过人工充氢的试样，试验目标转变为检测氢对材料的弱化效应。氢在晶体缺陷处的聚集、对位错运动的钉扎作用以及氢致开裂的萌生与扩展，都需要一定的时间尺度才能充分表现。若加载速率过快，试样在氢的有害作用尚未完全发挥之前就已断裂，将导致试验结果严重高估材料的实际抗氢脆能力。

为此，标准规定充氢试样的应变速率必须足够低，设定为 。这一速率比未充氢试样的加载速率慢了约两个数量级。在这种极慢的加载条件下，氢原子有充裕的时间向高应力区域扩散并参与损伤演化过程，从而使氢脆现象得以充分暴露。

关于这一速率的选取依据，标准附录A提供了翔实的背景说明。试验研究证实，氢的损伤效应在应变速率高于某一阈值时会被完全抑制；只有当应变速率降至足够低的水平（如  量级），力-伸长曲线才会开始出现明显的脆化特征，计算得到的氢脆敏感性特征值  也会随之升高并趋于稳定。

值得强调的是， 这一具体数值是在检测灵敏度与试验经济性之间取得平衡的结果。若速率进一步降低（如降至  量级），虽然理论上能更充分地暴露氢脆，但试验时间将成倍延长——对于螺栓试样而言，单次试验可能需要数十小时甚至更长，这对于常规质量检测而言是不切实际的。而  的速率可在保证检测可靠性的前提下，将单次试验时间控制在3至6小时的合理范围内，兼顾了科学严谨性与工程实用性。

试验设备的技术要求

从设备角度来看，该试验方法对加载系统的控制精度提出了较高要求。目前市场上主流的电子万能材料试验机（如ZwickRoell公司生产的各类拉力试验机）以及电液伺服疲劳试验机，均具备高精度的横梁位移控制功能，能够稳定实现低至  量级的应变速率。这类设备通常采用闭环控制技术，能够实时监测横梁位移并反馈调节驱动电机，确保在整个试验过程中加载速率保持恒定，不受试样刚度变化的影响。

对于疲劳试验机而言，虽然其主要设计用途是动态循环加载，但现代高端疲劳试验机同样具备静态加载模式，可在位移控制或应变控制模式下进行低速拉伸试验。因此，无论是专业的静态拉力机还是具备静态功能的疲劳试验机，只要其控制精度满足标准要求，均可用于本项氢脆敏感性评价试验。设备选型的核心考量在于：低速控制稳定性、力值测量精度以及数据采集系统的采样频率是否能够满足慢速拉伸全过程记录的需

Zwick万能试验机的拉伸速度最低可以达到0.00005mm/min因此，这个试验机能够完全满足该项标准慢速拉伸的要求。

5 评价方法

5.1 断裂功的计算

分别记录未充氢和充氢试样的力-伸长曲线，计算每条曲线下的面积（积分）得到断裂功  和 。取各组平均值。

5.2 氢脆敏感性特征值

按公式  计算。该值越小，表明材料抗氢脆能力越强。

具体氢脆性能是否满足可以通过与普通螺栓的对比试验结果进行对比验证和评价。

从这个结果来看，超高强度螺栓的氢脆性能比标准的10.9级螺栓甚至都还有优势。