12.9級高強度耐候螺栓鋼的抗氫致延遲斷裂性能

張歡歡 朱思遠 王 倩 王青峰 顧曉勇 張 瑞 楊照軍

（1.燕山大學材料科學與工程學院，河北秦皇島 066004；2.中鐵山橋集團，河北秦皇島 066205；3.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035；4.安徽長江緊固件有限責任公司，安徽六安 237000）

高強度螺栓作為基礎零部件，被廣泛應用于橋梁、建筑及汽車等鋼結構，且由于具有承載力高、施工簡便等優點，已成為工程連接中的主要手段。近年來，隨著建筑、橋梁等強度水平的要求不斷提高，螺栓的強度及服役條件也越來越高［1-3］。螺栓強度等級提高帶來高承載效益的同時，氫致延遲斷裂的風險也隨之增大，尤其是當抗拉強度超過1 200 MPa時，材料的氫敏感性尤為突出［4-6］。

氫致延遲斷裂現象的產生是由于材料內部的氫向應力集中位置擴散、聚集，材料在靜載下經過一定時間后突然脆性破壞。這種現象是材料、環境、應力相互作用而發生的一種環境脆化，是氫導致材質惡化的一種形態［7-8］。延遲斷裂現象是妨礙機械制造用鋼高強度化的一個主要因素。

目前大部分鋼結構用高強度螺栓都采用回火處理，以實現更好的強韌性匹配，同時降低鋼的氫致開裂敏感性；并通過調整含碳量和合金元素的種類及含量，以及調整熱處理工藝，以獲得高強度抗氫致延遲斷裂耐候螺栓。然而，氫致延遲斷裂問題依然突出。惠衛軍等［9-11］在42CrMo鋼的基礎上添加Ti、V等微合金元素并改善熱處理工藝以提高材料的抗氫致延遲斷裂性能。劉昌奎等［12］研究發現，30CrMnSiA螺栓在其材質氫含量僅1×10-6條件下就發生了氫致脆性斷裂，斷裂原因并非由于氫含量過高，而主要是由于螺栓存在一定程度的回火脆化。

因此，本文在前人研究的基礎上，對自主研發的12.9級高強度螺栓鋼進行氫滲透及恒載荷延遲斷裂試驗，以探究回火溫度對其氫擴散及抗氫致延遲斷裂性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為自行設計、研制的12.9級高強度耐候螺栓鋼。由中鐵山橋集團高強度緊固器材有限公司提供試制M30螺栓鋼熱軋棒材，其化學成分如表1所示。

表1 12.9級耐候螺栓鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of 12.9 grade weathering bolt steel（mass fraction） %

1.2 熱處理

對試棒進行淬火、回火處理。淬火溫度為900℃，保溫時間為40 min，為防止淬火變形開裂，冷卻介質采用植物油。回火溫度分別為500、550、600 ℃，保溫時間為90 min，空冷。

1.3 氫滲透試驗

從熱處理后的試棒上切取氫滲透試樣，尺寸為60 mm ×30 mm ×0.8 mm，表面粗糙度為0.8。參照ASTM G148—1997《用電子化學技術對金屬中氫攝取、滲透和傳遞率評定規程》，采用Devanathan-Stachurski雙電解池電化學氫滲透法進行擴散氫／滲透氫試驗。根據測得的氫滲透曲線確定氫擴散系數D0及可擴散氫濃度C0。將D0及C0作為表征氫脆傾向的參量，分析熱處理工藝對螺栓實物氫脆傾向的影響。

氫擴散系數D0計算公式為：

式中：D0為氫擴散系數，cm2／s；L為試樣厚度，cm；tL為滯后時間，定義為陽極瞬時電流密度達到穩態電流密度的0.63倍時所對應的時間，s。

可擴散氫濃度C0計算公式為：

式中：C0為可擴散氫濃度，mol／cm3；i∞為穩態陽極電流密度，mA／cm2；L為試樣厚度，cm；F 為法拉第常數，96 485 C／mol；D0為氫擴散系數，cm2／s。

1.4 恒載荷延遲斷裂試驗

從不同淬、回火態的棒材上切取恒載荷缺口拉伸試樣，尺寸如圖1所示。參照ISO／FDIS 16573：2014（E）《高強鋼抗氫致延遲斷裂性能試驗評價方法》，在RDL-YF（50 kN）型恒載荷應力腐蝕試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為0.005 mm／min，加載至0.8倍缺口拉伸強度，采用試樣斷裂時間表征其抗氫致延遲斷裂性能。拉伸試驗條件如表2所示。

表2 恒載荷缺口拉伸試驗條件Table 2 Constant-load notched tensile test conditions

圖1 恒載荷缺口拉伸試樣Fig.1 Constant-load notched tensile specimen

1.5 顯微組織觀察

取回火態試樣經研磨拋光后，用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在日立S-3400N型場發射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）上進行觀察。用鹽酸+六次甲基四胺緩蝕劑對恒載荷延遲斷裂試樣進行酸洗除銹，采用SEM觀察其斷口形貌。薄膜試樣經機械預減薄后再雙噴電解減薄，在JEM-2100F型透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）上進行觀察。

2 試驗結果

2.1 力學性能

表3為試驗鋼經900℃淬火和不同溫度回火后的力學性能，都滿足12.9級螺栓材料的力學性能要求。此外，隨著回火溫度的升高，鋼的強度逐漸下降，且溫度每提高50℃，強度下降30～40 MPa。

表3 試驗鋼經900℃淬火和不同溫度回火后的力學性能Table 3 Mechanical properties of the tested steel quenched from 900℃ and tempered at different temperatures

2.2 顯微組織

圖2為試驗鋼經900℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織，均為回火馬氏體，其板條形態清晰可見，組織無明顯差異；晶內存在不同取向的馬氏體Packet結構，部分Packet結構隨回火溫度升高逐漸融合消減。

圖2 試驗鋼經900℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織Fig.2 Microstructures of the tested steel quenched from 900 ℃ and tempered at different temperatures

2.3 抗延遲斷裂性能

表4為在不同溫度回火的試驗鋼的缺口抗拉強度及斷裂時間。由表4可知，隨著回火溫度的升高，試驗鋼的缺口抗拉強度逐漸降低，斷裂時間顯著延長且均大于100 h，說明抗氫致延遲斷裂性能明顯提高。

表4 在不同溫度回火的試驗鋼的缺口抗拉強度及延遲斷裂時間Table 4 Notch tensile strength and delayed fracture time of the tested steel tempered at different temperatures

2.4 氫滲透行為

圖3為在不同溫度回火的試驗鋼的氫滲透曲線。表5為根據氫滲透曲線計算的氫擴散系數D0和可擴散氫濃度C0。隨著回火溫度的升高，試驗鋼的氫擴散系數D0增大，可擴散氫濃度C0略微增加。

表5 不同溫度回火的試驗鋼的氫擴散系數和可擴散氫濃度Table 5 Hydrogen diffusion coefficients and diffusible hydrogen concentration of the tested steel tempered at different temperatures

圖3 不同溫度回火的試驗鋼的氫滲透曲線Fig.3 Hydrogen permeability curves of the tested steel tempered at different temperatures

一般認為，氫擴散系數越大，表明氫原子在試樣中擴散越容易，氫原子不易在試樣內部聚集，試樣的氫致開裂敏感性越小；氫擴散系數小，表明氫原子在試樣中擴散困難，氫原子容易在試樣內部缺陷處聚集，當氫原子聚集到一定濃度時，產生足夠大的氫壓，發生開裂。

2.5 斷口形貌

圖4為在不同溫度回火的試驗鋼的延遲斷裂斷口SEM形貌。隨著回火溫度的升高，起裂區比例顯著減小；裂紋擴展區均呈現出解理與韌窩混合斷裂特征，且隨著回火溫度的升高，解理部分明顯減少，600℃回火的鋼幾乎為韌窩斷裂，即回火溫度的升高能夠降低試驗鋼的氫致開裂敏感性。

圖4 不同溫度回火的試驗鋼的延遲斷裂斷口SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of the delayed fracture of the tested steel tempered at different temperatures

2.6 碳化物

圖5為在不同溫度回火的試驗鋼的TEM形貌，均為馬氏體板條結構，且板條邊界析出了大量片狀碳化物，板條內存在球狀碳化物；隨著回火溫度的升高，馬氏體板條邊界逐漸模糊，析出相尺寸及數量顯著增加。析出相能消除第二回火脆性，使試驗鋼獲得良好的強韌性，同時還可作為氫陷阱捕獲可擴散氫，降低氫的危害。

圖5 不同溫度回火的試驗鋼的TEM形貌Fig.5 TEM micrographs of the tested steel tempered at different temperatures

3 結論

（1）隨著回火溫度的升高，氫擴散系數D0增大，可擴散氫濃度C0略微增加。

（2）隨著回火溫度的升高，抗氫致延遲斷裂性能明顯提高，起裂區比例明顯減小，600℃回火的鋼幾乎為韌窩形態。

（3）隨著回火溫度的升高，馬氏體板條邊界逐漸模糊，析出相的數量明顯增加，析出相可作為氫的強陷阱捕獲可擴散氫。