一種寬回火時間窗口的10.9級螺栓鋼組織和性能

王嬌嬌, 劉宏春, 劉 泳, 陳紅衛, 田志強, 張洪起

(河鋼材料技術研究院, 河北 石家莊 050023)

面對汽車、建筑等行業的不斷發展,各種緊固件的制造材料也面臨越來越高的要求,螺栓連接具有安裝效率高、受力性能好、易于維護等優點在緊固件連接中所占比重最高[1]。值得注意的是,隨著橋梁工程、各種建筑向大型化與大跨距化趨勢發展,所用鋼材強度明顯提高,螺栓連接件苛刻的服役環境以及工作應力不斷提高,并且面對降低能耗的新要求,最有效的措施是研發高強度螺栓用鋼[2-3]。高強度螺栓包括8.8級、9.8級、10.9級以及12.9級強度水平,隨著人們對安全性的要求越來越高,高強度螺栓的質量和服役性能的穩定發揮顯得至關重要。近年來已有學者從熱處理工藝改進[4]、失效分析[5]、氫脆斷裂機制[6-8]等方面對高強度螺栓進行研究,對高強度螺栓的研究提供重要參考價值。但對螺栓鋼性能穩定性的研究較少,所以本文對一種寬熱處理窗口的10.9級螺栓鋼的組織性能進行了研究。

1 試驗材料及方法

本文研究的10.9級螺栓鋼在50 kg真空感應爐中進行冶煉,并澆鑄成鋼錠,試驗鋼的化學成分如表1所示。將鋼錠加熱到1200 ℃保溫2 h,經多道次熱軋為40 mm厚的熱軋板坯,終軋溫度大于900 ℃,空冷至室溫。在熱軋板坯上截取金相、硬度以及拉伸毛坯(沿軋制方向),將毛坯在電阻加熱爐中加熱到870 ℃保溫60 min后水淬,隨后加熱至550 ℃分別回火40、60、80 min,空冷至室溫。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數,%)

將熱處理后的毛坯加工成φ10 mm的標準拉伸試樣,并于Z330E型拉伸機上進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為1 mm/min,為保證結果的準確性,取至少2個平行試樣的平均值,并在ULTRA 55型場發射掃描電鏡下進行拉伸斷口形貌觀察;將機械研磨及拋光后的硬度試樣用R574/T型洛氏硬度計進行硬度測定;經機械研磨、拋光及侵蝕后的金相試樣,在AXio Observer.A1m型倒置顯微鏡(OM)和SEM下進行微觀組織觀察;利用沖孔機將研磨后的透射試樣沖成φ3 mm的圓片,隨后利用雙噴減薄儀進行減薄,雙噴溶液為無水乙醇+6%(體積分數)高氯酸溶液,減薄溫度為-20 ℃,利用Tecnai F30型透射電鏡進行形貌以及析出物觀察,使用附帶能譜對析出物進行成分分析。

2 試驗結果與討論

2.1 回火時間對微觀組織的影響

水淬后試驗鋼微觀組織的OM和SEM形貌如圖1所示。水淬試驗鋼為典型的馬氏體板條組織,并且平行排列的板條組織形成板條束結構,即Packet結構,此時的馬氏體Packet結構寬度較窄,長度較短[9]。

圖1 水淬后試驗鋼的OM(a,b)和SEM圖(c,d)Fig.1 OM(a,b) and SEM(c,d) images of the tested steel after water quenching

試驗鋼在不同回火時間下的OM和SEM形貌如圖2所示。可以看出,淬火+高溫回火后試驗鋼為高溫回火馬氏體組織,隨回火時間的增加,仍有邊界明顯的馬氏體板條,并且在馬氏體板條間以及板條上析出的碳化物聚集球化、更加細小彌散,回火時間延長,微觀組織變化不明顯。有學者研究表明,彌散析出的碳化物的實質為合金滲碳體(M3C)、二次硬化碳化物(V,X)C、奧氏體化過程中未溶解的碳化物(V,X)C,其中,M=Fe、Cr、Mn;X=Mo、Cr[10-11]。

圖2 不同回火時間下試驗鋼的OM(a～c)和SEM(d～f)圖Fig.2 OM(a-c) and SEM(d-f) images of the tested steel tempered for different time(a,d) 40 min; (b,e) 60 min; (c,f) 80 min

利用透射電鏡進一步觀察回火60 min后試驗鋼的微觀組織形貌,如圖3所示。可以看出,試驗鋼為典型的馬氏體板條組織,并且伴隨細小彌散的析出相;對析出相進行能譜分析(紅色框選),發現這些析出物為(Mn,V)C,這與OM與SEM觀察到的細小彌散碳化物相對應。

圖3 回火60 min后試驗鋼的TEM圖(a,b)和EDS圖譜(c)Fig.3 TEM images(a,b) and EDS spectrum(c) of the tested steel after tempering for 60 min

2.2 回火時間對硬度的影響

對不同回火時間的試驗鋼中心位置以及距離邊部1/4處進行洛氏硬度測定,硬度結果均取3個平行測試點的平均值,結果如表2所示。與淬火態相比,經過回火后,試驗鋼在中心位置處與距離邊部1/4處的硬度均明顯降低,這是由于試驗鋼的組織由碳過飽和的淬火馬氏體轉變成回火馬氏體。隨回火時間的延長,試驗鋼在中心位置處與距離邊部1/4處的硬度略有下降,這與基體軟化以及微觀組織中碳化物析出有關,在550 ℃回火過程中,位錯開始持續滑移重組或對消,致使位錯密度降低,進而軟化基體[12];此外,Mo、V等元素所形成的強碳化物共格彌散析出,釘扎位錯,產生彌散強化作用。并且隨著回火時間的延長,合金碳化物更加細小,數量更多,成為主要強化相,進而阻止硬度降低,Mo和V的二次硬化峰值溫度分別大概在570～580 ℃和600～625 ℃之間[13]。軟化與強化相互作用的結果使得硬度隨回火時間的延長略有降低,綜上所述,在寬回火時間窗口中,試驗鋼的硬度穩定性高。

表2 不同回火時間下試驗鋼不同位置處的洛氏硬度(HRC)

2.3 回火時間對拉伸性能的影響

試驗鋼的拉伸性能隨回火時間的變化如圖4所示。回火時間在40～80 min內,試驗鋼的抗拉強度在1081～1120 MPa內波動,屈服強度在993～1013 MPa內波動,斷面收縮率在56.0%～56.3%內波動。試驗鋼的各項性能指標波動幅度均較小,性能穩定性強,并都滿足10.9級螺栓鋼的力學性能要求。

圖4 不同回火時間下試驗鋼的工程應力-應變曲線(a)及強度(b)Fig.4 Engineering stress-strain curves(a) and strengths(b) of the tested steel tempered for different time

2.4 回火時間對拉伸斷口的影響

不同回火時間下試驗鋼的拉伸斷口形貌如圖5所示。從宏觀形貌中可以看出,在40～80 min回火時間下拉伸斷口縮頸明顯,均分為明顯的中心位置起裂源區、放射狀擴展區、邊部剪切唇瞬斷區。起裂源區微觀形貌均為以韌窩為主伴有撕裂棱(如箭頭所指)的韌性特征,而在擴展區韌窩變小變淺并伴有撕裂棱及微小的二次裂紋,形成微小的解理刻面。拉伸形貌表現出良好的塑性特征,這與斷面收縮率達到56%相對應。隨回火時間的延長,拉伸斷口相同區域的微觀形貌無明顯變化,這與試驗鋼在熱處理窗口中微觀組織及力學性能穩定性高相對應。

圖5 不同回火時間下試驗鋼的拉伸斷口形貌(a～c)宏觀形貌;(d～f)起裂源區;(g～i)擴展區;(a,d,g)40 min;(b,e,h)60 min;(c,f,i)80 min Fig.5 Tensile fracture morphologies of the tested steel tempered for different time(a-c) macro morphologies; (d-f) crack initiation source region; (g-i) extended region;(a,d,g) 40 min; (b,e,h) 60 min; (c,f,i) 80 min

3 結論

1) 經過870 ℃淬火+550 ℃高溫回火后,試驗鋼為清晰可見的馬氏體板條組織,并伴有細小彌散的碳化物析出。

2) 當回火時間為40～80 min時,試驗鋼的抗拉強度在1081～1120 MPa范圍內,屈服強度在993～1013 MPa范圍內,斷面收縮率在56.0%～56.3%范圍內,在寬熱處理回火時間窗口內綜合力學性能穩定。

3) 當回火時間為40～80 min時,試驗鋼的拉伸斷口均有明顯的縮頸現象,起裂源區為細小韌窩伴有撕裂棱的韌性斷裂,與斷面收縮率達到56%相對應。

4) 在寬熱處理窗口回火時間40～80 min下,試驗鋼的微觀組織及綜合力學性能穩定,并滿足10.9級螺栓鋼抗拉強度≥1000 MPa,屈服強度≥900 MPa的要求。