1300MPa级高强度螺栓钢

第37卷　第3期2002年3月

钢 铁

IRON AND STE EL

Vol.37,No.3

M arch2002 1300MPa级高强度螺栓钢*

惠卫军　董　瀚　王毛球　陈思联 翁宇庆

(钢铁研究总院)(中国金属学会)

赵秀明

　(南京依维柯汽车公司)

摘　要　在常用高强度螺栓钢42CrM o的基础上研究开发出一种强度级别更高的高强度螺栓钢42Cr MoVNb。试验结果表明,新开发钢的奥氏体晶粒长大趋势明显小于42CrM o钢,具有微细的显微组织;在约550℃以上温度回火时析出合金碳化物而产生二次硬化,具有良好的强韧性配合;其耐延迟断裂性能、缺口敏感性和冷加工性能均优于42CrMo钢。用新开发钢试制的高强度螺栓已通过了汽车道路考核试验。

关键词　高强度螺栓钢　力学性能　延迟断裂1

NEW HIGH STRENGTH STEEL FOR BOLTS

WITH TENSILE STRENGTH OVER1300MPa

H UI Weijun　DONG Han　WANG Maoqiu　CHEN Silian

(Central Iron and Steel Research Institute)

WEN G Yuqing

(The Chinese Society for Metals)

ZHAO Xiuming

(Nanjing IVECO Motor Co.,Ltd.)

ABSTRACT　This paper introduces the newly developed high str ength steel for bolts with tensile strength over1300MPa.It's shown that the micro-alloy steel has lower austenite grain gr owth tendency and ther efore finer microstr ucture,significant secondary hardening at higher temper ing temperatur e and good strength and toughness combination.T he steel also has higher delayed fracture resistance,notch sensitivity and cold heading ability than that of the conventional steel42CrMo.One IVECO minibus,assembled with the bolts made of this new high str ength steel has passed reliability r unning test recently.

KEY WORDS　high str ength bolt steel,mechanical property,delayed fracture.

随着汽车、机械、建筑、轻工等各个生产部门的发展,对制造各类紧固件(如螺栓、螺钉、螺母等)使用的材料提出了愈来愈高的要求,如汽车的高性能化和轻量化、建筑结构的高层化以及大桥的超长化等,对作为联接部件的螺栓提出了更高设计应力和轻量化的要求。对此,最有效的措施便是螺栓钢的高强度化。但即使纳入各国标准中的12.9级甚至11.9级螺栓,在实际服役过程中亦发生了多次延迟

1*国家重点基础研究发展规划项目(973)“新一代钢铁材料的重大基础研究”资助项目(G1998061503)联系人:惠卫军,博士生,北京(100081)钢铁研究总院结构材料研究所

断裂事故,因而其使用范围受到了限制。鉴于此,高强度螺栓钢的研究开发是近来国内外研究工作热点之一[1～5]。

本文对钢铁研究总院新近开发的1300MPa级高强度螺栓钢42Cr MoVNb进行了性能试验研究,并与目前普遍使用的高强度螺栓钢42CrMo进行了对比。

1　试验用钢及试验方法

1.1　试验用料和热处理

试验用钢为工业化生产的1300MPa级高强度螺栓钢42Cr MoVNb和商业生产的42CrMo,其化学成分见表1。

表1　试验料的化学成分

T able1　Chemical composition of test steel%钢号C Mn Si P S Cr Mo V Ni Nb Al s

42CrMoVNb(1号)0.430.300.140.0030.001 1.100.520.33—0.040.01 42CrMo(2号)0.440.650.330.0230.018 1.040.19—0.25—0.02

试验料经850℃×60min的退火处理后,加工成金相试样(d0=18mm,h=20mm)、标准拉伸试样(l0=5d0,d0=5mm)和加加林拉伸试样(l0=5d0, d0=6mm)、V型缺口冲击试样(10mm×10mm×55mm)、缺口敏感性试样(d0=10mm,d N=7mm, R=0.1mm,X=60°,对比光滑拉伸试样d0=d N=7 mm)、缺口拉伸延迟断裂试样(<5mm×70mm)、紧凑拉伸CCT断裂韧性试样(B=20mm)和改进的WOL型应力腐蚀试样(B=20mm)的毛坯。上述试样除淬火特别指明外均在930℃的盐浴中保温30 min后油冷,然后在400～650℃×2h回火后空冷。

1.2　试验方法

在光学显微镜和H-800型透射电镜下观察各种热处理制度下的组织形貌。在MTS880型材料试验上进行室温拉伸、缺口敏感性试验和KⅠC试验,在冲击试验机上做常规冲击试验。冷变形试验参照GB223-82,将试样冷压缩至不同的变形量,获得不发生开裂的临界变形量。

本研究采用恒载荷缺口拉伸延迟断裂试验和改进的WOL型应力腐蚀试验来评定试验钢的耐延迟断裂性能。实验溶液分别为pH= 3.5±0.5的Walpole缓蚀液(盐酸+醋酸钠+去离子水或蒸馏水)和3.5%的NaCl水溶液。

如R f为发生断裂的最小应力,R n为在规定的截止时间t c(本实验取t c=200h)内不发生断裂的最大应力,则定义缺口拉伸临界应力R c为[6]

R c=1/2(R f+R n)(1)为使试验值与实际值相差小于10%,要求

R f-R n≤0.2R c(2) 如上述条件不满足,则需再做试验。大气中拉伸试验可获得缺口强度R N,用R c和R N的比值R c/R N (延迟断裂强度比)来评价试验钢的耐延迟断裂性能。

用改进的WOL型恒位移试样测量裂纹止裂的临界应力强度因子K ISCC。试样预制1～2mm的疲劳裂纹后,用螺钉加载后浸入室温的3.5%NaCl水溶液中。用读数显微镜测量裂纹长度(a)并计算裂纹扩展速率d a/d t,当d a/d t≤1.0×10-9m/s时终止实验。根据止裂后的裂纹长度和所加恒位移就可求出K ISCC。试验参照GB12445.3-90进行。

在JEOL JSM6400型扫描电子显微镜下观察试样的断口形貌,确定断裂机制。

2　试验结果及分析

2.1　微观组织

由于添加有微合金元素V和Nb,1号钢的微观组织较对比的2号钢明显细小,见图1。随着回火温度的提高,试验钢位错密度明显降低,原奥氏体晶界和马氏体板条边界上的碳化物聚集、粗化,碳化物的连续程度降低,并且在晶内有微细的碳化物弥散析出。由于强碳化物形成元素钒、钼、铬与碳的亲合力强,会减慢合金渗碳体的溶解;另一方面又增加碳在A相中的扩散激活能,减慢碳的扩散,因而阻碍合金渗碳体的聚集长大。与2号钢相比,1号钢能在较高的回火温度下保持比较细小的碳化物质点。回火温度提高到约600℃时,析出弥散的合金碳化物而产生二次硬化效应。图2为42CrMoVNb钢625℃回火后的微观组织。进一步提高回火温度,合金碳化物逐渐失去原析出时与基体的共格关系,产生过时效现象。

2.2　晶粒尺寸长大趋势

不同加热温度下奥氏体晶粒大小的变化见图3。可见,随着加热温度升高和保温时间延长,晶粒直

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38

·钢　铁 第37卷

图1　试验钢的显微组织

F ig.1　Typical micr ostr uct ur e of t est st eels

(a)1号钢550℃;(b)2号钢550

℃

图2　42Cr MoVNb 钢(1号)625℃回火后的

TEM 微观组织

Fig.2　TEM m icrostructure of steel 42Cr MoVNb

t em per ed at 625℃

径增大。当加热温度超过950℃后,晶粒长大趋势较大。由于添加微合金元素钒和铌,1号钢的晶粒长大趋势明显小于对比的2号钢。

P.A.Beck 指出奥氏体晶粒直径和生长时间存在以下关系:

d D /d t =k (1/D )

m -1

(1)

由上式可得到:

ln(D m

t -D m

0)=ln[k 0(t -t 0)]-Q /RT (2)式中　D 0——对应时刻t 0时初始晶粒直径,L m;

D t ——对应时刻t 时晶粒直径,L m ;

m ——取决于D t /D 0值的指数。

k =k 0exp (-Q /RT )(Q 为激活能,kJ /mol )。由于D t /D 0都小于1.8,根据Novikov 所述的

D t /D 0—m 的关系可取m =5。

作ln (D m t -D m

0)—1/T 图

,图形呈直线,用其斜率即可求得Q 值,见图4。按

图3　加热温度对奥氏体晶粒平均尺寸的影响Fig .3　Effect of austenitizing t emper atur e

on austenite gra in size

式(2)对数据回归处理,可得到1号、2号钢的晶粒直径与加热温度之间的关系分别为1号:ln(D 5

t -D 5

0)=73.952-76700/T (3)2号:ln(D 5

t -D 5

0)=65.087-57600/T

(4)

对照式(2)可求出奥氏体晶界迁移的激活能分

别为1号:Q =76700R =637.7kJ/mol

2号:

Q =56700R =478.9kJ/mol

可见,1号钢较2号钢的奥氏体晶界迁移的激

活能高出637.7-478.9=158.8kJ /mol 。

图4　ln (D 5t -D 5

0)与1/T 的关系Fig.4　R elat ion between ln (D 5t -D 50)

and 1/T of test steels

2.3　强度和韧塑性

Mo 和V 属于强碳化物形成元素,且提高钢的临界点,因此在较低的淬火温度下,Mo 和V 的特殊碳化物溶入奥氏体中的量较少。随着淬火温度的提高和保温时间的延长,更多的碳化物溶入奥氏体中,使得高温回火时特殊碳化物的析出量增加,钢的强

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度和硬度提高;另一方面奥氏体晶粒逐渐长大,钢的塑性和韧性逐渐降低,见图5

。

图5　42Cr MoVNb 钢(1号)的力学性能随

淬火温度的变化

Fig .5　Change in mechanical pr oper ties with austenitizing

temper atur e for 42Cr MoVNb steel (No .1)

回火温度对试验钢力学性能的影响见图6。抗拉强度和硬度均随回火温度的升高而不断下降,而断面收缩率和伸长率则呈增大的趋势,当回火温度超过550℃时,1号钢由于特殊碳化物的弥散析出而产生二次硬化,二次硬化峰值约在600℃左右。继续提高回火温度,强度和硬度则急剧下降。与塑性相比,冲击韧性和断裂韧性随回火温度的变化则比较明显,但在二次硬化峰附近,韧性存在一个轻微的谷值。虽然1号钢强度较2号钢高,但其塑性、韧性却明显优于后者。2.4　耐延迟断裂性能

缺口拉伸延迟断裂试验的结果见图7(a)。可见,1号和2号钢的延迟断裂强度比R c /R N 均随着强度的提高而降低。在相同的强度水平下,1号钢的延迟断裂强度比明显高于2号钢。应力腐蚀试验的结果同样表明,1号和2号钢的临界应力强度因子K ISC C 均随强度的提高而降低,在较低的强度水平下,1号钢的K ISCC 明显高于2号钢,这种差别随强度的提高而逐渐减少,当强度高于1500MPa 时,二者的差别变得很小。2.5　缺口敏感性

螺栓为多缺口零件,要求螺栓钢具有低的缺口敏感性。表2为缺口敏感性试验结果,表2中缺口敏感度NSR =R bN /R b (NSR 值越大表示缺口敏感度越小)[7]。用做12.9级螺栓的2号钢的回火温度多为

500～550℃,其NSR 值为1.34～1.45。1号钢由于具有良好的塑性和韧性,在较宽的回火温度范围

图6　试验钢的力学性能随回火温度的变化F ig.6　Change of mechanical pr oper ties with

tem per ing t emper atur e for test steels

(a)抗拉强度、硬度;(b)伸长率、面缩率;(c)冲击功、断裂韧性

500～630℃可获得1300MPa 以上的强度,而其

NSR 值为1.49～1.63,明显高于2号钢,即具有低的缺口敏感性。2.6　冷加工性能

由于螺栓生产中大都需要镦头,因此螺栓钢大多为冷镦钢,因此要求有良好的冷加工性能。1号和2号钢分别经750℃×6h 、750℃×3h 的球化退火处理后,进行冷镦试验。结果表明,虽然42CrMoVNb 的硬度(HB 212)高于42CrMo (H B 198),但其不发生破裂的临界压缩变形量为76.5%,仍然高于42Cr Mo (74%)。3　讨论

·

40·钢　铁 第37卷

表2　试验钢的缺口敏感度

T able 2　Notch sensitivity r atio of t est st eel

钢淬火温度/℃回火温度/℃R b /MPa R bN /MPa NSR 2号

850

43015401680 1.1247014101780 1.2650013251773 1.34550

12351793 1.4560011251703 1.511号

930

41016102103 1.3150014302130 1.4955013902150 1.5560014002153 1.5463013102117 1.62650

1175

1967

1.67

高强度螺栓属于多缺口零件,因而具有很高的缺口敏感性,容易在应力集中部位如杆与头部的过渡处或螺纹根部产生延迟断裂。如早在60年代日本就有

F 13T 级高强度螺栓,但由于多次发生延迟断裂事故,随后取消了F13T 级螺栓。1977年以后,即使在正常强度范围内使用的F11T 级螺栓也发生了延迟断裂事故。因此,高强度螺栓的延迟断裂多年来一直是妨碍其高强度化的一个最主要的问题[1,2]。因此,新研制的42CrMoVNb(1号)钢能否用作13.9级螺栓,除了应具有良好的强韧性配合外,关键还应具有良好的耐延迟断裂性能。

42CrMo (2号)钢通常可用作12.9级螺栓,其

强度水平为1200～1300MPa,对应的回火温度为500～550℃。从图6(a )可以看出,由于Mo 、V 碳化物二次硬化作用,1号钢在较宽的回火温度范围500～630℃,均可获得13.9级螺栓所要求的1300～1400MPa 的强度。在此回火温度范围内,1号钢的塑性、韧性和缺口敏感性均优于或与2号钢相当。同时,图7亦表明,1号钢在1300～1400MPa 强度水平下的耐延迟断裂性能优于或与2号钢在1200～1300MPa 强度水平下的耐延迟断裂性能相当。

如上所述,1号钢无论是从强韧性还是从耐延迟断裂性能来看均优于2号钢,而2号钢作为12.9级螺栓的使用实绩表明,1号钢有可能用作13.9级螺栓。实际试用结果证明了这一点。表3为用1号钢在高强度螺栓生产线上制造的13.9级M12×1.25扭杆调整支架螺栓实物力学性能试验结果。该螺栓已装配到南汽依维柯汽车上,并顺利地通过了道路考核试验。

表3　13.9级螺栓力学性能

Ta ble 3　M echanical proper ties of 13.9gr ade bolt

R b 1)/M Pa R b /M Pa R 0.2/MPa D 5/%W /%

A KV /J 1400

1350

1290

14

59

56

1)

实物螺栓试验结果

图7　试验钢的耐延迟断裂性能

F ig.7　Delayed fr acture r esistance of test steel

(a)缺口拉伸;(b)应力腐蚀

4　结论

(1)添加有微合金元素V 和Nb 的42CrMoVNb 钢的奥氏体晶粒长大趋势明显小于42CrMo 钢。

(2)随着淬火温度的升高,42Cr MoVNb 钢钢

的硬度和强度提高,塑性和韧性降低。

(3)随着回火温度的升高,试验钢的强度、硬度降低,塑性、韧性升高,缺口敏感性降低。42CrMoVNb 钢的Mo 、V 元素含量较高,提高了钢的回火抗力,并在550℃以上温度回火时析出合金

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碳化物而产生二次硬化,强度和硬度随回火温度的升高变化不大。当回火温度高于约630℃,强度和硬度急剧下降。

(4)试验钢的延迟断裂强度比R c/R N和K ISCC均随强度的提高而降低。在相同的强度水平下, 42CrMoVNb钢的R c/R N和K ISCC明显高于42Cr Mo 钢。

(5)42CrMoVNb钢的冷加工性能优于42CrMo钢。

(6)42CrMoVNb钢制造的13.9级螺栓已通过了汽车道路考核试验,这表明该钢可用作13.9级螺栓用钢。

参　考　文　献

1　惠卫军,董　瀚,翁宇庆.高强度螺栓钢的发展动向.机械工程材料,2002,26(5):7～11.

2　惠卫军,董　瀚,翁宇庆.耐延迟断裂高强度螺栓钢的研究开发.钢铁,2001,36(3):69～73.

3　P adfield C.Automotive F ast ener s.Advanced Ma terials&Pr ocess,1998,(10):49～53.

4　关根明彦.建筑,桥梁用高力??¨.a¤¨.特殊钢,1986,35(11)55～58.

5　Hasegawa T,Nakahar a T,Yama da Y,et al..Delayed F ailur e of St eels for High-strength Bolt s.Wire J.I nt er., 1992,(12):49～58.

6　褚武扬.氢损伤和滞后断裂.北京:冶金工业出版社,1988,472.

7　束德林.金属力学性能.北京:机械工业出版社,1987,80.

第四届高性能结构钢研讨会在韩国浦项举行

THE4th HIPERS WORKSHOP HELD IN POSCO,KOREA

由韩国浦项制铁厂(POSCO)和韩国工商业及能源部共同主办的“第四届高性能结构钢(HIPER S)研讨会”于2002年1月17日至19日在韩国浦项举行。来自韩国、中国、日本和美国的近百名代表参加了会议。

各国代表分别就钢铁领域的最新研究进展和共同存在的问题进行了广泛的交流。会议论文共64篇,涉及以下内容。

(1)超细晶钢的理论研究及应用:1应变诱导(SIDT)或变形诱导(DIF T)铁素体转变规律的研究。包括发生SIDT 或DI FT的临界应变、SIDT或DIF T铁素体形成机制、SIDT 或DIF T铁素体的晶粒细化程度等研究。o超细晶钢的焊接技术研究。着重讨论通过在超细晶钢中引入T iN颗粒,阻止焊接热影响区中晶粒的长大并且控制热影响区尺寸。?超细晶钢的应用研究。以建筑结构为代表,探讨超细晶粒钢应用中存在的诸如高屈强比和低伸长率等问题。

(2)高强度螺栓钢的研究及应用:1韩国高强度螺栓钢的研究。通过复相组织获得高的耐延迟断裂性能,包括利用等温淬火方法获得上贝氏体+残余奥氏体复相组织和利用亚温淬火方法获得马氏体+铁素体复相组织。o中国高强度螺栓钢的研究和应用。中国的高强度螺栓钢主要通过高纯净度钢的二次硬化手段来实现。?日本高强度钢的研究。日本在马氏体组织的延迟断裂方面的研究主要是通过轧制来细化晶粒和晶界碳化物实现,最近研究的是在两次淬火回火热处理之间进行多道次温轧,结果发现晶粒显著细化、晶界碳化物也细化,耐延迟断裂性能改善。

(3)氧化物冶金和电磁冶金:1氧化物冶金。日本代表介绍了氧化物冶金的现状和前景,指出通过引入氧化物促进非均匀形核,对凝固奥氏体析出过程、先共析铁素体的析出过程、渗碳体的析出过程以及其他非金属夹杂物的析出过程等产生影响,从而改善钢的性能。o电磁冶金。中国东北大学的代表交流了电磁冶金方面的进展。通过电磁搅拌,使凝固组织中等轴晶的比例近100%,内部缺陷显著降低。通过对电磁力和流体流动的计算,对电磁搅拌机理有了深入的理解。

(4)耐候钢的研究:在耐候钢方面,韩国通过Ca和Si处理,并且降低镍含量,使耐腐蚀性能得到提高。同时,研究了W和M o等元素对耐腐蚀性能的影响。日本则在高N不锈钢领域进行了探讨。

董　瀚

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