脈沖電流處理高強度螺栓鋼抗延遲斷裂性能的研究

韓忠良,侯建新,彭白星,董　越,馬亞南,趙宇光（吉林大學　,　長春　130022）

脈沖電流處理高強度螺栓鋼抗延遲斷裂性能的研究

韓忠良,侯建新,彭白星,董越,馬亞南,趙宇光
（吉林大學,長春130022）

摘要：電脈沖加熱處理提高螺栓強度是20世紀后期發展起來的一項新技術，由于瞬間輸入高密度脈沖電流，其產生的獨特現象如電致塑性、電遷移、納米晶粒生成等已引起學者們的關注。本文以SCM435高強度螺栓成品件為研究對象，致力于研究高能脈沖電流對其組織和性能的影響。通過進行不同的加熱時間和回火方式實驗，發現220ms是最佳加熱時間，430℃箱式爐中保溫4h和80ms脈沖電流處理為兩種回火方式的最佳參數，力學性能最佳且晶粒達到最細化。在延遲斷裂實驗中，脈沖電流回火較箱式爐回火試樣延遲斷裂時間更長，且其延遲斷裂性能均優于原始樣。

關鍵詞：脈沖電流；高強度螺栓；SCM435；顯微組織；延遲斷裂

1　研究背景

電脈沖處理技術是近些年來逐步被采用的新型材料組織性能改性技術，對材料瞬間通以高能脈沖電流其產生的焦耳熱效應、電子遷移、電子風和電致塑性交互作用使得材料產生微觀組織性能的變化進而改善了材料的使用性能。本文是以脈沖電流處理為手段，材質是SCM 435的高強度螺栓為研究對象，采用瞬時高能量的強脈沖電流處理來改善SCM 435螺栓的顯微組織和力學性能，在水冷條件下，比較不同的加熱參數，不同的回火方式，不同的回火溫度對材料的組織的影響。使用自制的延遲斷裂實驗器材分析處理后的試樣和初始狀態的試樣的延遲斷裂性能，并探討瞬時高能量強脈沖電流作用下SCM 435鋼中發生的一系列瞬時動態過程，研究不同工藝參數下的脈沖電流處理對SCM 435鋼組織性能的影響規律，為提高螺栓的使用壽命提供新的理論依據和實用技術[1]。

2　實驗方法

2.1實驗材料

本文實驗材料為12.9級，全牙，內六角，長度85.88mm，直徑為6.00mm的高強度螺栓成品件。材質是SCM 435，國內對應牌號35CrMo，初始狀態為調質態。

2.2延遲斷裂實驗

自制的延遲斷裂裝置，兩塊厚的鋼板選材Q235，為保證螺栓加載時螺母不陷入鋼板，選用與12.9級高強度螺栓配套使用的高強度螺母，上面墊上自制的墊片。載荷采用扭力扳手對螺栓進行加載，每次都加載到相同的預緊力，這個預緊力是通過材料斷裂時承受的載荷與安全系數之比求得的。試樣中間開一個溝槽，浸泡在Walpole緩蝕液（醋酸鈉+鹽酸+去離子水或蒸餾水）中，對每組試樣延遲斷裂時間取平均值，以代表延遲斷裂性能。

3　電脈沖處理后的微觀組織與性能

最佳加熱工藝參數的確定。為了尋找最合適的脈沖電流作用時間，我們首先需要經過試驗找出最佳的電脈沖處理參數，而腐蝕不同條件作用下的原奧氏體晶界則可以找出最佳參數。本節最關鍵的是找出最佳的作用時間。取出三個試樣，默認觸發電壓為5V，分別通以tp=220ms，tp=240ms，tp=260ms的脈沖電流，通電完成后立即噴水冷卻，使紅熱的試樣瞬間冷卻至室溫，發生馬氏體轉變。用線切割機切取淬火部分，并進行砂紙打磨、拋光。用過飽和苦味酸水溶液腐蝕原奧氏體晶界。

可以看到經過脈沖電流處理，當周波數逐級增大時，試樣的原奧氏體晶粒也是逐級增大，當周波數小于10次即200m s時，由于溫度不足試樣奧氏體化不完全。當達到11周波即作用時間為220m s時如下圖（a），試樣的奧氏體晶粒最細，是優化的工藝參數；而12周波即作用時間為240m s時如下圖（b），奧氏體晶粒已經開始長大，這顯然是作用的時間的延長結果導致晶粒長大。而13周波時即作用時間為260m s時如下圖（c）可以看到晶粒長大非常明顯。

在水冷條件下不同脈沖時間處理后的的試樣，隨著作用時間的延長，淬火馬氏體的硬度減小。當作用時間小于220m s時，由于輸入能量不足，導致淬火后殘余奧氏體的數量多，這降低了材料的硬度。而當作用時間大于220ms時，由于溫度過高使得奧氏體晶粒長大，淬火后形成了粗大的馬氏體組織，而作用時間愈長，這種現象就越明顯，所以材料的硬度在下降。而220ms的作用時間是在現有實驗條件下尋找到的最佳工藝參數。

4　不同處理狀態的螺栓延遲斷裂性能的研究

本實驗采用恒載荷延遲斷裂試驗，在自制的實驗裝置上，對經過處理后的12.9級高強度螺栓進行延遲斷裂試驗，為了防止加載過程中螺紋脫扣，必須使用與螺紋配套的高強度螺母，而板料使用Q 235鋼，螺母上放一塊厚的墊片，以保證螺栓的預緊時螺栓能被拉伸。預緊載荷用扭力扳手加載，每次都加載到同一載荷，以保證各個螺栓的初始狀態均相同，中間浸泡PH=2.5的Walpole緩蝕液（醋酸鈉+鹽酸+去離子水或蒸餾水），用攝像頭來記錄螺栓的斷裂時間。

取三組試樣，分別是在力學性能實驗中每組中性能最為突出的220ms淬火態并經過430℃回火保溫4h的試樣1-4、經過220ms淬火態并經過80m s電脈沖回火的試樣5-8和原始的調質態試樣9-12，每組4個，使用扭力扳手加載到20N.m，每隔12h重新預緊一次，并補充腐蝕液的劑量，以保證其PH穩定，觀察螺栓的延遲斷裂時間。

4.1電脈沖淬火、箱式爐回火的延遲斷裂實驗

由表1經過延遲斷裂實驗可以看出，經過220ms電脈沖加熱淬火后的試樣在箱式爐中加熱到430℃，并保溫4個小時，它們的延遲斷裂時間普遍在100小時以內，經過計算其平均值為85小時，螺栓的延遲斷裂主要是腐蝕液中滲入的氫引起的脆斷。

表1　箱式爐回火后的延遲斷裂試驗結果

12.9級高強度螺栓在220m s淬火+430℃回火工藝下呈現明顯的沿晶斷裂，沿晶斷裂是高強度鋼在應力腐蝕或氫環境中最為常見的斷裂方式，在較高強度水平下，高強度鋼延遲斷裂初期裂紋往往沿原奧氏體晶界萌生和擴展，而經過上述工藝處理的螺栓的抗拉強度達到1500MPa左右，顯然延遲斷裂抗力與沿晶斷裂傾向密切相關，隨著沿晶斷裂傾向的減小，延遲斷裂抗力顯著上升，因而強化晶界、抑制沿晶界斷裂是提高高強度鋼延遲斷裂抗力的重要途徑之一。但是，并不是奧氏體晶粒越細延遲斷裂性能就越好，對于這方面的研究眾說紛紜仍處于爭議當中。由于淬火后都經過了長達4h的回火工藝，組織有足夠的時間穩定并均勻化，所以上述工藝處理的試樣在延遲斷裂傾向上與原始試樣相差不大。長達4h的回火處理使得整個螺栓的組織均勻，而強度降低，位錯密度升高，碳化物的聚集狀態改變，這些都使得其延遲斷裂性能減弱，從力學性能上也可以看出，經過爐回火的試樣延伸率更高。

4.2 電脈沖淬火、電脈沖回火的延遲斷裂實驗

由結果可以看出，經過220m s電脈沖淬火后的試樣延遲斷裂斷口仍然是沿晶斷裂，斷口處有少量韌窩，韌性好于之前的試樣。這種螺栓的抗延遲斷裂性能顯著提高，實驗中試樣8經過148小時仍沒有出現斷裂，而斷裂的三根也是所有斷裂的樣品當中時間最久的，分別是119小時和125小時以及137小時。螺栓的這種抗延遲斷裂性能顯然與其獨特的脈沖電流回火方式有關，作者認為是脈沖電流的瞬間輸入引起了螺栓內部的應力結構變化，使得滲氫條件發生改變，即電流使P、S等雜質元素在晶界上的偏聚狀態發生改變導致高強度鋼在應力腐蝕及其含氫環境中發生沿晶斷裂，提高了斷裂抗力。

表2　電脈沖回火后的延遲斷裂試驗結果

5　結論

本文采用瞬時高能量脈沖電流對SCM 435高強度螺栓鋼進行改性處理，分別進行了處理參數的優化，研究了脈沖電流處理淬火態的奧氏體晶粒大小，研究了脈沖電流淬火、回火這種新型便捷的工藝，并比較了傳統箱式爐回火和電脈沖回火的性能差異，通過這些探討了SCM 435高強度螺栓的強韌化機制，歸納得到如下結論：

（1）在SCM 435螺栓脈沖電流處理過程中，隨著加熱作用時間的延長，淬火態的螺栓的晶粒逐漸細化，力學性能逐漸變好，但是超過最優化處理參數后，由于溫度過高，會導致奧氏體晶粒的顯著長大，其相應的抗拉強度、硬度都會下降。尋找到最佳加熱參數為tp=220ms。

（2）經過220ms加熱淬火后的螺栓，再經過不同溫度回火處理之后，馬氏體均發生不同程度的分解，出現回火馬氏體組織，回火屈氏體組織以及回火索氏體組織。經過430℃回火保溫4小時的試樣，抗拉強度為1462MPa，延伸率為9.2%，而經過480℃回火的試樣，抗拉強度雖略有下降為1440MPa，但塑性卻最好，延伸率達到了10.6%，經過530℃回火的試樣，抗拉強度為1423MPa，延伸率為9.0%，三種工藝均高于傳統的調質態的樣品，原始樣的相應數據為1281MPa和8.5%。

（3）經過220ms加熱淬火后的螺栓，經過不同參數的電脈沖回火處理后，隨著作用時間的延長，強度降低，塑性提高，但塑性均低于箱式爐回火的樣品，這是由于脈沖作用時間過短，馬氏體分解不徹底。經過40ms回火后，樣品的抗拉強度達到1610MPa，延伸率僅為3.7%，經過60ms回火后，抗拉強度達到1581MPa，延伸率為4.2%，而經過80m s的處理，延伸率為6.0%，抗拉強度為1517MPa。三種工藝的強度均高于原始的調質態，但塑性顯然都因強度的提高而大幅受損。

（4）在兩組處理后的樣品中，選取力學性能最好的220ms+430℃*4h工藝以及220ms+80ms的每組4個試樣，在自制延遲斷裂設備上做延遲斷裂實驗，浸泡在Walpole緩蝕液（醋酸鈉+鹽酸+去離子水或蒸餾水）中，發現原始樣和保溫4h的工藝由于最終處理都是長時間的高溫回火保溫，且時間較長，兩組的延遲斷裂時間相差不多，一組為79.5h，一組為85h。但是，經過電脈沖回火后，抗延遲斷裂的能力明顯提高，這是由于力學性能的提高導致延遲斷裂時的臨界應力值得到提高，而在同一預緊力水平下，由于沒有達到這一標準，導致延遲斷裂傾向降低。而晶粒的細化在其中也顯然起到了一定作用。

參考文獻：

[1]楊清.脈沖電流對GCr15鋼組織及性能的影響[D].長春：吉林大學材料科學與工程學院,2013.