高強(qiáng)度螺栓鋼的耐延遲斷裂研究分析

摘 要:螺栓鋼高強(qiáng)度化過程中延遲斷裂現(xiàn)象突出。分析延遲斷裂的產(chǎn)生機(jī)理，重點(diǎn)闡述氫脆過程中材料的成分、微觀組織、介質(zhì)環(huán)境和應(yīng)力集中的影響作用，通過材料搜集和對(duì)此分析，從材料合成與加工工藝出發(fā)總結(jié)改善高強(qiáng)度螺栓鋼敏感性措施。

關(guān)鍵詞:高強(qiáng)度螺栓鋼 延遲斷裂 研究分析

中圖分類號(hào):TG142.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)12(b)-0004-01

1 延遲斷裂概念

延遲斷裂是在靜止應(yīng)力作用下的材料，經(jīng)過一定時(shí)間以后突然脆性破壞的一種現(xiàn)象。材料的斷裂形式很多，如材料在拉伸時(shí)的韌性斷裂;在低溫下使用時(shí)的低溫脆性斷裂;在高溫和應(yīng)力共同作用下經(jīng)過緩慢變形而斷裂的蠕變斷裂以及在交變載荷作用下的疲勞斷裂等。延遲斷裂與韌性斷裂、蠕變斷裂不同，前者屬于脆性脆性斷裂，而后兩者屬于韌性斷裂。延遲斷裂與低溫脆性斷裂、疲勞斷裂也不同，前者是在常溫和恒定應(yīng)力下所發(fā)生的斷裂，后兩者一個(gè)是在低溫下的斷裂，另一個(gè)是在交變載荷下的斷裂[1]。

2 產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

2.1 產(chǎn)生機(jī)理

文獻(xiàn)[1]分析脆性斷口位置上氫的富集是導(dǎo)致延遲斷裂的主要原因。零件所含氫原子在應(yīng)力誘導(dǎo)下擴(kuò)散進(jìn)入應(yīng)力高度集中的區(qū)域逐漸聚集，達(dá)到一定濃度時(shí)誘發(fā)裂縫，裂縫成長穿過氫濃度集中區(qū)時(shí)便停止長大。等氫原子在裂縫前沿應(yīng)力集中區(qū)重新聚集達(dá)到臨界濃度，裂縫又開始長大。如此循環(huán)，直到發(fā)生突然的一次性斷裂。

氫的富集主要是兩種情況，一種是由外部介質(zhì)環(huán)境傾入的氫引起的。南京汽車研究所在自制的延遲斷裂試驗(yàn)裝置上對(duì)螺栓進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)3%(容積分?jǐn)?shù))NaCl水溶液和水兩種介質(zhì)里的螺栓進(jìn)行加載。試驗(yàn)結(jié)果同樣的載荷，3%NaCl水溶液介質(zhì)中的螺栓在光桿部位發(fā)生了斷裂，而水中的螺栓沒有斷裂。表明:由于介質(zhì)環(huán)境的不同，3%NaCl水溶液中的螺栓比水中的更易發(fā)生延遲斷裂。

另一種是工藝過程中氫的入侵，如酸洗、電鍍等處理，侵入鋼中的氫在應(yīng)力的作用下向應(yīng)力集中處集中而引起了延遲斷裂。如電鍍螺栓在加載后，經(jīng)過幾小時(shí)或幾天的較短時(shí)間后而發(fā)生延遲斷裂。

2.2 影響因素

氫的富集直接導(dǎo)致高強(qiáng)度螺栓鋼的延遲斷裂，而材料的成分、微觀組織和應(yīng)力集中則是影響因素，會(huì)加劇或者改善高強(qiáng)度螺栓鋼的延遲斷裂現(xiàn)象。所以延遲斷裂是材料、環(huán)境、應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化[2]。

(1)成分和微觀組織。高強(qiáng)度螺栓鋼的主要成分是鐵、碳和一些合金元素，后兩者的含量決定性能。雜質(zhì)元素磷、硫和錳能增大高強(qiáng)度鋼的延遲斷裂敏感性。磷會(huì)降低晶界結(jié)合強(qiáng)度，硫在腐蝕環(huán)境下促進(jìn)氫的吸收，同時(shí)錳會(huì)促進(jìn)磷、硫共偏析，引起晶界偏析，與鋼中雜質(zhì)元素硫相結(jié)合后生成MnS夾雜物，誘發(fā)裂紋。文獻(xiàn)[3]中提到硼對(duì)高強(qiáng)度鋼的延遲斷裂現(xiàn)象是利好的。低碳鋼中加入微量的硼制成的硼鋼，不但可以彌補(bǔ)降碳造成的強(qiáng)度和淬透性損失，有良好的冷變形能力，減少應(yīng)力集中，而且利于獲得全部的細(xì)晶粒貝氏體組織，降低鋼的延遲斷裂敏感性。

Al、Ti、Nb、V等合金元素生成彌散析出的碳氮化物可以細(xì)化奧氏體晶粒，提高強(qiáng)度改善韌性，還可以作為氫的陷阱，抑制氫的擴(kuò)散和使氫均勻分布，使侵入的氫無害化。Mo元素可以抑制腐蝕坑的生成，減少鋼表面侵入的氫量。抗回火軟化能力強(qiáng)的Mo、V等，可以在保持強(qiáng)度不變的情況下，提高回火溫度使碳化物球化，以避開容易引起晶界脆化的低溫回火溫度區(qū)域，并可使碳化物細(xì)小均勻。

合金元素對(duì)高強(qiáng)度鋼延遲斷裂抗力的影響比較復(fù)雜，在不同類型鋼中合金元素的影響是有差別的，不同情況應(yīng)具體分析。在低合金鋼的組成范圍內(nèi)，延遲斷裂主要是由鋼的微觀組織和介質(zhì)環(huán)境決定的，合金元素的直接影響有限。

一定強(qiáng)度水平下，鋼的延遲斷裂敏感性總與某種特定的組織相聯(lián)系。一般來說，奧氏體、珠光體的延遲斷裂敏感性比馬氏體小，而在珠光體組織中，滲碳體的形狀對(duì)延遲斷裂敏感性有重要影響，含碳高的馬氏體組織比含碳低的更容易脆化。

(2)應(yīng)力集中。高強(qiáng)度螺栓缺口集中部位如桿與頭部的過渡處或螺紋根部易引起應(yīng)力集中，加上氫的富集，加劇產(chǎn)生延遲斷裂。所以高強(qiáng)度螺栓的缺口半徑，如螺栓頭部的圓角、螺栓根部尺寸，螺紋牙溝的形狀，對(duì)延遲斷裂都有較大的影響，生產(chǎn)高強(qiáng)度螺栓應(yīng)對(duì)這些尺寸形狀嚴(yán)格控制，降低應(yīng)力集中程度。

3 改善敏感性措施

3.1 合成

盡可能降低雜質(zhì)元素磷、硫和錳含量，使材料有更高的純凈度，減少晶界脆化。添加合適的合金元素。我國鋼鐵研究總院在42CrMo鋼的基礎(chǔ)上，通過降低S、P、Si、Mn的含量，添加微合金元素V、Nb并增加Mo的含量，成功地設(shè)計(jì)了1300MPa~1600MPa級(jí)耐延遲斷裂高強(qiáng)度鋼ADF系列[2]，其耐延遲斷裂性能明顯優(yōu)于常用機(jī)械制造用鋼42CrMo。

3.2 加工工藝

(1)對(duì)原材料的預(yù)先退火工序嚴(yán)格注意脫碳和增碳現(xiàn)象，防止螺栓表面增碳導(dǎo)致脆性增加，加劇延遲斷裂。采用形變熱處理、磁場(chǎng)、感應(yīng)熱處理等方法細(xì)化組織并在奧氏體晶粒內(nèi)形成大量的碳化物優(yōu)先形核位置，然后通過合適的回火處理激活晶內(nèi)的優(yōu)先形核位置，可以促進(jìn)晶內(nèi)碳化物的析出和細(xì)化，減少甚至消除晶界碳化物、細(xì)化馬氏體組織，從而獲得無晶界或晶界碳化物較少的微細(xì)馬氏體組織。下貝氏體有良好的耐延遲斷裂性能，但是屈服比偏低。可通過等溫?zé)崽幚慝@得下貝氏體及適量馬氏體、殘余奧氏體的復(fù)相組織，利用馬氏體組織的高強(qiáng)度和貝氏體、奧氏體組織的良好的延遲斷裂抗力來實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度下的良好耐延遲斷裂性能[3]。螺栓表面的涂裝處理也可以有效改善延遲斷裂性能。

(2)制造高強(qiáng)度螺栓的工序中，吸氫最多的是酸洗和電鍍。因此在酸洗過程中，不允許時(shí)間過長，腐蝕嚴(yán)重的零件為除去銹斑而長時(shí)間電解酸洗，電鍍后必須進(jìn)行去氫處理。電鍍時(shí)，不允許重復(fù)電鍍，若重新電鍍，也必須增加去氫處理，以防止螺栓偶然獲得最大含氫量發(fā)生氫致延遲斷裂。

(3)典型螺栓的頭部為六角形，原料從圓形成型為六角形冷鐓變形量大，加上機(jī)床精度、操作工人的技術(shù)水平等因素的影響，螺栓頭部和桿部結(jié)合處的晶粒破碎或金屬纖維斷裂、組織不均勻，造成應(yīng)力集中，可改為六角凸角形[4]，減少變形抗力。加工時(shí)不應(yīng)忽視機(jī)床間隙，模具間隙以及機(jī)床模具間的誤差，合理分配螺栓頭部的鐓鍛變形量，增大頭桿結(jié)合處的過渡圓角，使內(nèi)部組織達(dá)到合理狀態(tài)。

當(dāng)前中國在高檔緊固件的研發(fā)上處于先進(jìn)地位，鋼鐵研究總院掌握了13.9級(jí)和14.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的工業(yè)化生產(chǎn)核心技術(shù)。但新材料的批量生產(chǎn)還需要做大量材料合成與加工及使用性能之間的應(yīng)用研究，突破螺栓高強(qiáng)度和長壽命無法齊頭并進(jìn)的阻礙，適應(yīng)市場(chǎng)需要。

參考文獻(xiàn)

[1]姚貴升．汽車金屬材料應(yīng)用手冊(cè)(上)［Ｍ］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2000:443～446．

[2]惠衛(wèi)軍，董瀚，翁宇慶．耐延遲斷裂高強(qiáng)度螺栓鋼[J]．MC現(xiàn)代零部件，2004(9):88～91.

[3]馬鳴圖．先進(jìn)汽車用鋼［Ｍ］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:411-412，435～439．

[4]姚貴升．抗耐延遲斷裂性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度螺栓用鋼[J]．汽車工藝與材料，2004(5):7～10.

①作者簡介:王文娟，女，江蘇省揚(yáng)州市，助教，學(xué)歷:本科，研究方向:汽車檢測(cè)與維修技術(shù)。