正火預處理對42CrMoVNb高強度螺栓鋼耐延遲斷裂性能的影響

莫精忠 楊 周 毛向陽 吳 萌 趙秀明

(1.南鋼特鋼事業部，江蘇 南京 210035；2.南京工程學院，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]，由于機械、汽車制造、橋梁建筑等行業的不斷發展，對螺栓的強度要求越來越高[2]。但隨著抗拉強度的提高，特別是當抗拉強度超過約1 200 MPa時，螺栓的延遲斷裂強度急劇降低[3]。延遲斷裂，又稱滯后斷裂，是材料在靜止應力作用下，在潮濕空氣或海水等環境中長期使用，環境中的微量氫在應力集中區富集、擴散，經一段時間后突然發生脆性破壞的一種現象[4-8]。近年來有學者對高強度螺栓鋼的延遲斷裂性能進行了大量研究。結果表明：鋼中加入Mo、Nb，V等微合金元素，淬回火后能夠形成穩定的碳、氮化物，其可作為氫陷阱使侵入鋼中的氫無害化，從而提高高強度螺栓鋼的延遲斷裂性能[9-11]。因此，通過調整碳、氮化物的尺寸、分布，既能提升高強度螺栓的強韌性，還能改善其耐延遲斷裂性能。

基于此，本文通過熱處理將42CrMoVNb高強度螺栓鋼的抗拉強度調整到1 400、1 500 MPa級別，并進行恒載荷延遲斷裂試驗和慢應變速率拉伸試驗，研究其延遲斷裂性能，并與42CrMo螺栓鋼進行比較。

1 試驗材料與方法

試驗材料為42CrMoVNb熱軋態線材，化學成分如表1所示，相變點Ac3=811 ℃、Ac1=773 ℃。42CrMoVNb鋼毛坯校直后進行調質處理，即在940 ℃保溫40 min油淬(OQ)，然后在480～650 ℃進行回火處理，保溫60 min后空冷(AC)，獲得不同抗拉強度的試樣。為了比較，在調質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。具體熱處理工藝見表2。熱處理后在線材心部取樣，加工成標準拉伸試樣(工作段長度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鋼的化學成分(質量分數)

表2 熱處理工藝

采用恒載荷缺口拉伸延遲斷裂試驗和慢應變速率拉伸試驗研究42CrMoVNb高強度螺栓鋼的延遲斷裂行為，并與國標12.9級42CrMo螺栓鋼進行比較。恒載荷缺口拉伸延遲斷裂試驗在室溫下進行，以100 h為臨界斷裂時間，測定缺口試樣置于pH=3.5±0.5的Walpole緩蝕液(鹽酸+醋酸鈉+去離子水)中進行恒載荷拉伸的臨界斷裂應力，設定σf為發生斷裂的最小應力，σn為在規定時間tc(本文取tc=100 h)內不發生斷裂的最大應力，σNC為臨界斷裂應力[12-13]，如式(1)所示。測定缺口試樣在空氣中的抗拉強度σNC0，用延遲斷裂強度比(delayed fracture strength ratio, DFSR)來評價試驗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水溶液中進行電化學充氫(72 h)，充氫完畢后立即清洗并進行慢應變速率拉伸試驗，拉伸速率為0.005 mm/min，測定充氫缺口強度σNS與未充氫試樣缺口強度σNS0，并計算氫脆敏感度系數HEIs[14]。

(3)

在WE-300B型萬能材料拉伸試驗機(載荷100 kN)上進行單向標準光滑拉伸試驗。使用Hitachi H-800型透射電鏡觀察合金碳化物形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

圖1為調質試樣與正火預處理+調質試樣的力學性能。由圖1可知，正火預處理+調質的試樣的強度、斷后伸長率和斷面收縮率均有所提升，A-1試樣的力學性能最佳。

圖1 正火處理+調質試樣與調質試樣的力學性能

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，從而導致回火時析出的碳化物數量不多，彌散強化作用不顯著。而經T1、T2正火預處理后，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，在隨后加熱淬火時彌散析出的第二相顆粒可有效阻礙晶粒的長大[15]；同時，淬、火后的碳化物數量也相應增多，彌散強化作用增強[16-17]；細化的奧氏體晶粒使塑性提升。與T1工藝相比，經更高溫度T2正火處理后再調質處理，奧氏體晶粒更加粗大，導致試樣的強度、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度比(DFSR)隨抗拉強度的變化。其中國標42CrMo高強度螺栓鋼的性能數據來源于文獻[18]。由圖2可知，在所研究強度水平內，試驗鋼與42CrMo鋼的延遲斷裂強度比均隨著抗拉強度的提高而降低；在相同強度級別下，42CrMoVNb鋼的DFSR明顯高于42CrMo鋼。但在實際工業生產中不會將42CrMo鋼的強度調整到1 400或1 500 MPa級別使用，因此僅將1 200 MPa(12.9級)強度級別的42CrMo鋼與42CrMoVNb鋼的延遲斷裂強度比進行比較。從圖2可以看出，12.9級42CrMo鋼的DFSR為0.60，而1 400和1 500 MPa強度級別42CrMoVNb鋼的DFSR分別為0.77和0.64。從圖2還可以看出，經過正火預處理的42CrMoVNb鋼的抗拉強度提高，延遲斷裂強度比也有所提高。這表明經過正火預處理后，42CrMoVNb鋼的耐氫致延遲斷裂性能進一步提高。

圖2 試驗鋼的延遲斷裂強度比隨抗拉強度的變化

圖3為慢應變速率拉伸試驗獲得的42CrMoVNb鋼的氫脆敏感度系數(HEIs)隨抗拉強度的變化。HEIs值越大，表明材料對氫致延遲斷裂越敏感，性能越差。由圖3(a)可知，隨著強度的提升，鋼的延遲斷裂敏感性越大。1 300 MPa級鋼的HEIs為0.57，1 400 和1 500 MPa級鋼的HEIs分別增大至0.62和0.69。此外，充氫試樣的缺口抗拉強度也隨著強度的提升而逐漸下降，由935 MPa下降到855 MPa。圖3(b)為正火預處理對調質試樣氫脆敏感度系數的影響。在調質前增加一道正火處理，可使試驗鋼的抗拉強度與未充氫缺口試樣的強度略微提升，同時HEIs值也低于調質試樣，即增加正火預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結果表現的規律一致。

2.3 合金碳化物形態

為進一步分析正火預處理提高42CrMoVNb鋼力學性能和耐氫致延遲斷裂性能的原因，將未經正火預處理的Q-1試樣和T1正火預處理的A-1試樣進行覆型，使用透射電鏡觀察合金碳化物的形態。圖4為試樣中合金碳化物的典型形貌。從圖4可以看出，回火過程中形成的碳化物呈短棒狀，Nb、V等強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、數量更多。這也驗證了2.1節中合金碳化物對力學性能的影響。

圖4 正火預處理對調質試樣中合金碳化物形態的影響

經過正火預處理后，合金碳化物變得更加細小彌散。在后續的淬、回火過程中，合金碳化物尺寸與分布變化不明顯。因此，增加正火預處理的42CrMoVNb鋼的強度和塑性都提高。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，從而使高強度螺栓鋼在使用過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度。

3 結論

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

(2)調質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小彌散，同時提高鋼的強度和塑性。此外，細小彌散的合金碳化物可以增強氫陷阱作用，提高恒載荷延遲斷裂強度比，降低氫脆敏感系數，提升42CrMoVNb高強度螺栓鋼的耐延遲斷裂性能。