高强度螺栓钢的耐延迟断裂研究分析

高强度螺栓钢的耐延迟断裂研究分析

摘要:螺栓钢高强度化过程中延迟断裂现象突出。分析延迟断裂的产生机理,重点阐述氢脆过程中材料的成分、微观组织、介质环境和应力集中的影响作用,通过材料搜集和对此分析,从材料合成与加工工艺出发总结改善高强度螺栓钢敏感性措施。

关键词:高强度螺栓钢延迟断裂研究分析

1 延迟断裂概念

延迟断裂是在静止应力作用下的材料,经过一定时间以后突然脆性破坏的一种现象。材料的断裂形式很多,如材料在拉伸时的韧性断裂;在低温下使用时的低温脆性断裂;在高温和应力共同作用下经过缓慢变形而断裂的蠕变断裂以及在交变载荷作用下的疲劳断裂等。延迟断裂与韧性断裂、蠕变断裂不同,前者属于脆性脆性断裂,而后两者属于韧性断裂。延迟断裂与低温脆性断裂、疲劳断裂也不同,前者是在常温和恒定应力下所发生的断裂,后两者一个是在低温下的断裂,另一个是在交变载荷下的断裂[1]。

2 产生机理及影响因素

2.1 产生机理

文献[1]分析脆性断口位置上氢的富集是导致延迟断裂的主要原因。零件所含氢原子在应力诱导下扩散进入应力高度集中的区域逐渐

聚集,达到一定浓度时诱发裂缝,裂缝成长穿过氢浓度集中区时便停止长大。等氢原子在裂缝前沿应力集中区重新聚集达到临界浓度,裂缝又开始长大。如此循环,直到发生突然的一次性断裂。

氢的富集主要是两种情况,一种是由外部介质环境倾入的氢引起的。南京汽车研究所在自制的延迟断裂试验装置上对螺栓进行试验。对3%(容积分数)NaCl水溶液和水两种介质里的螺栓进行加载。试验结果同样的载荷,3%NaCl水溶液介质中的螺栓在光杆部位发生了断裂,而水中的螺栓没有断裂。表明:由于介质环境的不同,3%NaCl水溶液中的螺栓比水中的更易发生延迟断裂。

另一种是工艺过程中氢的入侵,如酸洗、电镀等处理,侵入钢中的氢在应力的作用下向应力集中处集中而引起了延迟断裂。如电镀螺栓在加载后,经过几小时或几天的较短时间后而发生延迟断裂。

2.2 影响因素

氢的富集直接导致高强度螺栓钢的延迟断裂,而材料的成分、微观组织和应力集中则是影响因素,会加剧或者改善高强度螺栓钢的延迟断裂现象。所以延迟断裂是材料、环境、应力相互作用而发生的一种环境脆化[2]。

(1)成分和微观组织。高强度螺栓钢的主要成分是铁、碳和一些合金元素,后两者的含量决定性能。杂质元素磷、硫和锰能增大高强度钢的延迟断裂敏感性。磷会降低晶界结合强度,硫在腐蚀环境下促

进氢的吸收,同时锰会促进磷、硫共偏析,引起晶界偏析,与钢中杂质元素硫相结合后生成MnS夹杂物,诱发裂纹。文献[3]中提到硼对高强度钢的延迟断裂现象是利好的。低碳钢中加入微量的硼制成的硼钢,不但可以弥补降碳造成的强度和淬透性损失,有良好的冷变形能力,减少应力集中,而且利于获得全部的细晶粒贝氏体组织,降低钢的延迟断裂敏感性。

Al、Ti、Nb、V等合金元素生成弥散析出的碳氮化物可以细化奥氏体晶粒,提高强度改善韧性,还可以作为氢的陷阱,抑制氢的扩散和使氢均匀分布,使侵入的氢无害化。Mo元素可以抑制腐蚀坑的生成,减少钢表面侵入的氢量。抗回火软化能力强的Mo、V等,可以在保持强度不变的情况下,提高回火温度使碳化物球化,以避开容易引起晶界脆化的低温回火温度区域,并可使碳化物细小均匀。

合金元素对高强度钢延迟断裂抗力的影响比较复杂,在不同类型钢中合金元素的影响是有差别的,不同情况应具体分析。在低合金钢的组成范围内,延迟断裂主要是由钢的微观组织和介质环境决定的,合金元素的直接影响有限。

一定强度水平下,钢的延迟断裂敏感性总与某种特定的组织相联系。一般来说,奥氏体、珠光体的延迟断裂敏感性比马氏体小,而在珠光体组织中,渗碳体的形状对延迟断裂敏感性有重要影响,含碳高的马氏体组织比含碳低的更容易脆化。

(2)应力集中。高强度螺栓缺口集中部位如杆与头部的过渡处或螺纹根部易引起应力集中,加上氢的富集,加剧产生延迟断裂。所以高强度螺栓的缺口半径,如螺栓头部的圆角、螺栓根部尺寸,螺纹牙沟的形状,对延迟断裂都有较大的影响,生产高强度螺栓应对这些尺寸形状严格控制,降低应力集中程度。

3 改善敏感性措施

3.1 合成

尽可能降低杂质元素磷、硫和锰含量,使材料有更高的纯净度,减少晶界脆化。添加合适的合金元素。我国钢铁研究总院在42CrMo钢的基础上,通过降低S、P、Si、Mn的含量,添加微合金元素V、Nb并增加Mo的含量,成功地设计了1300MPa~1600MPa级耐延迟断裂高强度钢ADF系列[2],其耐延迟断裂性能明显优于常用机械制造用钢42CrMo。

3.2 加工工艺

(1)对原材料的预先退火工序严格注意脱碳和增碳现象,防止螺栓表面增碳导致脆性增加,加剧延迟断裂。采用形变热处理、磁场、感应热处理等方法细化组织并在奥氏体晶粒内形成大量的碳化物优先形核位置,然后通过合适的回火处理激活晶内的优先形核位置,可以促

进晶内碳化物的析出和细化,减少甚至消除晶界碳化物、细化马氏体组织,从而获得无晶界或晶界碳化物较少的微细马氏体组织。下贝氏体有良好的耐延迟断裂性能,但是屈服比偏低。可通过等温热处理获得下贝氏体及适量马氏体、残余奥氏体的复相组织,利用马氏体组织的高强度和贝氏体、奥氏体组织的良好的延迟断裂抗力来实现高强度下的良好耐延迟断裂性能[3]。螺栓表面的涂装处理也可以有效改善延迟断裂性能。

(2)制造高强度螺栓的工序中,吸氢最多的是酸洗和电镀。因此在酸洗过程中,不允许时间过长,腐蚀严重的零件为除去锈斑而长时间电解酸洗,电镀后必须进行去氢处理。电镀时,不允许重复电镀,若重新电镀,也必须增加去氢处理,以防止螺栓偶然获得最大含氢量发生氢致延迟断裂。

(3)典型螺栓的头部为六角形,原料从圆形成型为六角形冷镦变形量大,加上机床精度、操作工人的技术水平等因素的影响,螺栓头部和杆部结合处的晶粒破碎或金属纤维断裂、组织不均匀,造成应力集中,可改为六角凸角形[4],减少变形抗力。加工时不应忽视机床间隙,模具间隙以及机床模具间的误差,合理分配螺栓头部的镦锻变形量,增大头杆结合处的过渡圆角,使内部组织达到合理状态。

当前中国在高档紧固件的研发上处于先进地位,钢铁研究总院掌握了13.9级和14.9级高强度螺栓的工业化生产核心技术。但新材料的批量生产还需要做大量材料合成与加工及使用性能之间的应用研