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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