莫精忠 楊 周 毛向陽(yáng) 吳 萌 趙秀明

(1.南鋼特鋼事業(yè)部，江蘇 南京 210035；2.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

螺栓是一種極為廣泛的缺口性零部件，主要用于連接、定位和緊固[1]，由于機(jī)械、汽車制造、橋梁建筑等行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)螺栓的強(qiáng)度要求越來(lái)越高[2]。但隨著抗拉強(qiáng)度的提高，特別是當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過(guò)約1 200 MPa時(shí)，螺栓的延遲斷裂強(qiáng)度急劇降低[3]。延遲斷裂，又稱滯后斷裂，是材料在靜止應(yīng)力作用下，在潮濕空氣或海水等環(huán)境中長(zhǎng)期使用，環(huán)境中的微量氫在應(yīng)力集中區(qū)富集、擴(kuò)散，經(jīng)一段時(shí)間后突然發(fā)生脆性破壞的一種現(xiàn)象[4-8]。近年來(lái)有學(xué)者對(duì)高強(qiáng)度螺栓鋼的延遲斷裂性能進(jìn)行了大量研究。結(jié)果表明：鋼中加入Mo、Nb，V等微合金元素，淬回火后能夠形成穩(wěn)定的碳、氮化物，其可作為氫陷阱使侵入鋼中的氫無(wú)害化，從而提高高強(qiáng)度螺栓鋼的延遲斷裂性能[9-11]。因此，通過(guò)調(diào)整碳、氮化物的尺寸、分布，既能提升高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)韌性，還能改善其耐延遲斷裂性能。

基于此，本文通過(guò)熱處理將42CrMoVNb高強(qiáng)度螺栓鋼的抗拉強(qiáng)度調(diào)整到1 400、1 500 MPa級(jí)別，并進(jìn)行恒載荷延遲斷裂試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，研究其延遲斷裂性能，并與42CrMo螺栓鋼進(jìn)行比較。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為42CrMoVNb熱軋態(tài)線材，化學(xué)成分如表1所示，相變點(diǎn)Ac3=811 ℃、Ac1=773 ℃。42CrMoVNb鋼毛坯校直后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，即在940 ℃保溫40 min油淬(OQ)，然后在480～650 ℃進(jìn)行回火處理，保溫60 min后空冷(AC)，獲得不同抗拉強(qiáng)度的試樣。為了比較，在調(diào)質(zhì)處理前增加一道正火處理：先將試樣加熱到1 000 ℃以上的高溫T1或T2(T2>T1)，保溫45 min后空冷，然后在940 ℃保溫40 min后油淬，最后在600 ℃保溫60 min后空冷。具體熱處理工藝見(jiàn)表2。熱處理后在線材心部取樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(工作段長(zhǎng)度L0=5d0，直徑d0=5 mm)和延遲斷裂試樣(d0=5 mm，缺口處dN=3 mm，缺口(60°±1°)/(0.15r±0.025))。

表1 42CrMoVNb鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 熱處理工藝

采用恒載荷缺口拉伸延遲斷裂試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)研究42CrMoVNb高強(qiáng)度螺栓鋼的延遲斷裂行為，并與國(guó)標(biāo)12.9級(jí)42CrMo螺栓鋼進(jìn)行比較。恒載荷缺口拉伸延遲斷裂試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，以100 h為臨界斷裂時(shí)間，測(cè)定缺口試樣置于pH=3.5±0.5的Walpole緩蝕液(鹽酸+醋酸鈉+去離子水)中進(jìn)行恒載荷拉伸的臨界斷裂應(yīng)力，設(shè)定σf為發(fā)生斷裂的最小應(yīng)力，σn為在規(guī)定時(shí)間tc(本文取tc=100 h)內(nèi)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，σNC為臨界斷裂應(yīng)力[12-13]，如式(1)所示。測(cè)定缺口試樣在空氣中的抗拉強(qiáng)度σNC0，用延遲斷裂強(qiáng)度比(delayed fracture strength ratio, DFSR)來(lái)評(píng)價(jià)試驗(yàn)材料的延遲斷裂抗力，如式(2)所示。

σNC=(σf+σn)/2

(1)

(2)

將缺口試樣在濃度為0.1 mol/L的NaOH水溶液中進(jìn)行電化學(xué)充氫(72 h)，充氫完畢后立即清洗并進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.005 mm/min，測(cè)定充氫缺口強(qiáng)度σNS與未充氫試樣缺口強(qiáng)度σNS0，并計(jì)算氫脆敏感度系數(shù)HEIs[14]。

(3)

在WE-300B型萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)(載荷100 kN)上進(jìn)行單向標(biāo)準(zhǔn)光滑拉伸試驗(yàn)。使用Hitachi H-800型透射電鏡觀察合金碳化物形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

圖1為調(diào)質(zhì)試樣與正火預(yù)處理+調(diào)質(zhì)試樣的力學(xué)性能。由圖1可知，正火預(yù)處理+調(diào)質(zhì)的試樣的強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均有所提升，A-1試樣的力學(xué)性能最佳。

圖1 正火處理+調(diào)質(zhì)試樣與調(diào)質(zhì)試樣的力學(xué)性能

由于42CrMoVNb鋼中含有Mo、V、Nb等難溶合金元素，940 ℃保溫淬火后仍有部分合金元素未溶解于奧氏體，從而導(dǎo)致回火時(shí)析出的碳化物數(shù)量不多，彌散強(qiáng)化作用不顯著。而經(jīng)T1、T2正火預(yù)處理后，鋼中Mo、V、Nb等難溶合金元素充分溶解于奧氏體，在空冷至室溫時(shí)碳化物彌散析出，分布于珠光體-鐵素體基體中，在隨后加熱淬火時(shí)彌散析出的第二相顆?？捎行ё璧K晶粒的長(zhǎng)大[15]；同時(shí)，淬、火后的碳化物數(shù)量也相應(yīng)增多，彌散強(qiáng)化作用增強(qiáng)[16-17]；細(xì)化的奧氏體晶粒使塑性提升。與T1工藝相比，經(jīng)更高溫度T2正火處理后再調(diào)質(zhì)處理，奧氏體晶粒更加粗大，導(dǎo)致試樣的強(qiáng)度、塑性均略有下降。

2.2 耐延遲斷裂性能

圖2為不同溫度回火試樣的延遲斷裂強(qiáng)度比(DFSR)隨抗拉強(qiáng)度的變化。其中國(guó)標(biāo)42CrMo高強(qiáng)度螺栓鋼的性能數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[18]。由圖2可知，在所研究強(qiáng)度水平內(nèi)，試驗(yàn)鋼與42CrMo鋼的延遲斷裂強(qiáng)度比均隨著抗拉強(qiáng)度的提高而降低；在相同強(qiáng)度級(jí)別下，42CrMoVNb鋼的DFSR明顯高于42CrMo鋼。但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中不會(huì)將42CrMo鋼的強(qiáng)度調(diào)整到1 400或1 500 MPa級(jí)別使用，因此僅將1 200 MPa(12.9級(jí))強(qiáng)度級(jí)別的42CrMo鋼與42CrMoVNb鋼的延遲斷裂強(qiáng)度比進(jìn)行比較。從圖2可以看出，12.9級(jí)42CrMo鋼的DFSR為0.60，而1 400和1 500 MPa強(qiáng)度級(jí)別42CrMoVNb鋼的DFSR分別為0.77和0.64。從圖2還可以看出，經(jīng)過(guò)正火預(yù)處理的42CrMoVNb鋼的抗拉強(qiáng)度提高，延遲斷裂強(qiáng)度比也有所提高。這表明經(jīng)過(guò)正火預(yù)處理后，42CrMoVNb鋼的耐氫致延遲斷裂性能進(jìn)一步提高。

圖2 試驗(yàn)鋼的延遲斷裂強(qiáng)度比隨抗拉強(qiáng)度的變化

圖3為慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)獲得的42CrMoVNb鋼的氫脆敏感度系數(shù)(HEIs)隨抗拉強(qiáng)度的變化。HEIs值越大，表明材料對(duì)氫致延遲斷裂越敏感，性能越差。由圖3(a)可知，隨著強(qiáng)度的提升，鋼的延遲斷裂敏感性越大。1 300 MPa級(jí)鋼的HEIs為0.57，1 400 和1 500 MPa級(jí)鋼的HEIs分別增大至0.62和0.69。此外，充氫試樣的缺口抗拉強(qiáng)度也隨著強(qiáng)度的提升而逐漸下降，由935 MPa下降到855 MPa。圖3(b)為正火預(yù)處理對(duì)調(diào)質(zhì)試樣氫脆敏感度系數(shù)的影響。在調(diào)質(zhì)前增加一道正火處理，可使試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度與未充氫缺口試樣的強(qiáng)度略微提升，同時(shí)HEIs值也低于調(diào)質(zhì)試樣，即增加正火預(yù)處理可使鋼的耐延遲斷裂性能提升。這與恒載荷缺口拉伸延遲斷裂試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)的規(guī)律一致。

2.3 合金碳化物形態(tài)

為進(jìn)一步分析正火預(yù)處理提高42CrMoVNb鋼力學(xué)性能和耐氫致延遲斷裂性能的原因，將未經(jīng)正火預(yù)處理的Q-1試樣和T1正火預(yù)處理的A-1試樣進(jìn)行覆型，使用透射電鏡觀察合金碳化物的形態(tài)。圖4為試樣中合金碳化物的典型形貌。從圖4可以看出，回火過(guò)程中形成的碳化物呈短棒狀，Nb、V等強(qiáng)碳化物形成元素形成的合金碳化物則呈球狀，如圖中箭頭所示。相比Q-1試樣，A-1試樣中合金碳化物的尺寸更小、數(shù)量更多。這也驗(yàn)證了2.1節(jié)中合金碳化物對(duì)力學(xué)性能的影響。

圖4 正火預(yù)處理對(duì)調(diào)質(zhì)試樣中合金碳化物形態(tài)的影響

經(jīng)過(guò)正火預(yù)處理后，合金碳化物變得更加細(xì)小彌散。在后續(xù)的淬、回火過(guò)程中，合金碳化物尺寸與分布變化不明顯。因此，增加正火預(yù)處理的42CrMoVNb鋼的強(qiáng)度和塑性都提高。合金碳化物還是典型的氫陷阱，基體中碳化物可以捕獲大量的氫原子，降低氫原子在局部聚集造成的危害，從而使高強(qiáng)度螺栓鋼在使用過(guò)程中的氫致延遲斷裂敏感性下降，提高螺栓的使用安全性和許用強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)1 400和1 500 MPa強(qiáng)度級(jí)別42CrMoVNb高強(qiáng)度螺栓鋼的恒載荷延遲斷裂強(qiáng)度比均大于0.64，其耐延遲斷裂性能優(yōu)于1 200 MPa級(jí)42CrMo螺栓鋼。

(2)調(diào)質(zhì)處理前增加一道正火處理，可以使V、Nb等合金元素形成的碳化物更加細(xì)小彌散，同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和塑性。此外，細(xì)小彌散的合金碳化物可以增強(qiáng)氫陷阱作用，提高恒載荷延遲斷裂強(qiáng)度比，降低氫脆敏感系數(shù)，提升42CrMoVNb高強(qiáng)度螺栓鋼的耐延遲斷裂性能。