王嬌嬌, 劉宏春, 劉 泳, 陳紅衛(wèi), 田志強(qiáng), 張洪起

(河鋼材料技術(shù)研究院, 河北 石家莊 050023)

面對(duì)汽車(chē)、建筑等行業(yè)的不斷發(fā)展,各種緊固件的制造材料也面臨越來(lái)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(hù)等優(yōu)點(diǎn)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(shì)發(fā)展,所用鋼材強(qiáng)度明顯提高,螺栓連接件苛刻的服役環(huán)境以及工作應(yīng)力不斷提高,并且面對(duì)降低能耗的新要求,最有效的措施是研發(fā)高強(qiáng)度螺栓用鋼[2-3]。高強(qiáng)度螺栓包括8.8級(jí)、9.8級(jí)、10.9級(jí)以及12.9級(jí)強(qiáng)度水平,隨著人們對(duì)安全性的要求越來(lái)越高,高強(qiáng)度螺栓的質(zhì)量和服役性能的穩(wěn)定發(fā)揮顯得至關(guān)重要。近年來(lái)已有學(xué)者從熱處理工藝改進(jìn)[4]、失效分析[5]、氫脆斷裂機(jī)制[6-8]等方面對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行研究,對(duì)高強(qiáng)度螺栓的研究提供重要參考價(jià)值。但對(duì)螺栓鋼性能穩(wěn)定性的研究較少,所以本文對(duì)一種寬熱處理窗口的10.9級(jí)螺栓鋼的組織性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文研究的10.9級(jí)螺栓鋼在50 kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉,并澆鑄成鋼錠,試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示。將鋼錠加熱到1200 ℃保溫2 h,經(jīng)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(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

將熱處理后的毛坯加工成φ10 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,并于Z330E型拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速度為1 mm/min,為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,取至少2個(gè)平行試樣的平均值,并在ULTRA 55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下進(jìn)行拉伸斷口形貌觀察;將機(jī)械研磨及拋光后的硬度試樣用R574/T型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)定;經(jīng)機(jī)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(jìn)行微觀組織觀察;利用沖孔機(jī)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(jìn)行減薄,雙噴溶液為無(wú)水乙醇+6%(體積分?jǐn)?shù))高氯酸溶液,減薄溫度為-20 ℃,利用Tecnai F30型透射電鏡進(jìn)行形貌以及析出物觀察,使用附帶能譜對(duì)析出物進(jìn)行成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 回火時(shí)間對(duì)微觀組織的影響

水淬后試驗(yàn)鋼微觀組織的OM和SEM形貌如圖1所示。水淬試驗(yàn)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(jié)構(gòu),即Packet結(jié)構(gòu),此時(shí)的馬氏體Packet結(jié)構(gòu)寬度較窄,長(zhǎng)度較短[9]。

圖1 水淬后試驗(yàn)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(yàn)鋼在不同回火時(shí)間下的OM和SEM形貌如圖2所示?？梢钥闯?淬火+高溫回火后試驗(yàn)鋼為高溫回火馬氏體組織,隨回火時(shí)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(xì)小彌散,回火時(shí)間延長(zhǎng),微觀組織變化不明顯。有學(xué)者研究表明,彌散析出的碳化物的實(shí)質(zhì)為合金滲碳體(M3C)、二次硬化碳化物(V,X)C、奧氏體化過(guò)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(shí)間下試驗(yàn)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(jìn)一步觀察回火60 min后試驗(yàn)鋼的微觀組織形貌,如圖3所示?？梢钥闯?試驗(yàn)鋼為典型的馬氏體板條組織,并且伴隨細(xì)小彌散的析出相;對(duì)析出相進(jìn)行能譜分析(紅色框選),發(fā)現(xiàn)這些析出物為(Mn,V)C,這與OM與SEM觀察到的細(xì)小彌散碳化物相對(duì)應(yīng)。

圖3 回火60 min后試驗(yàn)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(shí)間對(duì)硬度的影響

對(duì)不同回火時(shí)間的試驗(yàn)鋼中心位置以及距離邊部1/4處進(jìn)行洛氏硬度測(cè)定,硬度結(jié)果均取3個(gè)平行測(cè)試點(diǎn)的平均值,結(jié)果如表2所示。與淬火態(tài)相比,經(jīng)過(guò)回火后,試驗(yàn)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(yàn)鋼的組織由碳過(guò)飽和的淬火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火馬氏體。隨回火時(shí)間的延長(zhǎng),試驗(yàn)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(guān),在550 ℃回火過(guò)程中,位錯(cuò)開(kāi)始持續(xù)滑移重組或?qū)ο?致使位錯(cuò)密度降低,進(jìn)而軟化基體[12];此外,Mo、V等元素所形成的強(qiáng)碳化物共格彌散析出,釘扎位錯(cuò),產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用。并且隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng),合金碳化物更加細(xì)小,數(shù)量更多,成為主要強(qiáng)化相,進(jìn)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(qiáng)化相互作用的結(jié)果使得硬度隨回火時(shí)間的延長(zhǎng)略有降低,綜上所述,在寬回火時(shí)間窗口中,試驗(yàn)鋼的硬度穩(wěn)定性高。

表2 不同回火時(shí)間下試驗(yàn)鋼不同位置處的洛氏硬度(HRC)

2.3 回火時(shí)間對(duì)拉伸性能的影響

試驗(yàn)鋼的拉伸性能隨回火時(shí)間的變化如圖4所示?；鼗饡r(shí)間在40～80 min內(nèi),試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度在1081～1120 MPa內(nèi)波動(dòng),屈服強(qiáng)度在993～1013 MPa內(nèi)波動(dòng),斷面收縮率在56.0%～56.3%內(nèi)波動(dòng)。試驗(yàn)鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)波動(dòng)幅度均較小,性能穩(wěn)定性強(qiáng),并都滿足10.9級(jí)螺栓鋼的力學(xué)性能要求。

圖4 不同回火時(shí)間下試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)及強(qiáng)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(shí)間對(duì)拉伸斷口的影響

不同回火時(shí)間下試驗(yàn)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(shí)間下拉伸斷口縮頸明顯,均分為明顯的中心位置起裂源區(qū)、放射狀擴(kuò)展區(qū)、邊部剪切唇瞬斷區(qū)。起裂源區(qū)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(kuò)展區(qū)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(xiàn)出良好的塑性特征,這與斷面收縮率達(dá)到56%相對(duì)應(yīng)。隨回火時(shí)間的延長(zhǎng),拉伸斷口相同區(qū)域的微觀形貌無(wú)明顯變化,這與試驗(yàn)鋼在熱處理窗口中微觀組織及力學(xué)性能穩(wěn)定性高相對(duì)應(yīng)。

圖5 不同回火時(shí)間下試驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌(a～c)宏觀形貌;(d～f)起裂源區(qū);(g～i)擴(kuò)展區(qū);(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(jié)論

1) 經(jīng)過(guò)870 ℃淬火+550 ℃高溫回火后,試驗(yàn)鋼為清晰可見(jiàn)的馬氏體板條組織,并伴有細(xì)小彌散的碳化物析出。

2) 當(dāng)回火時(shí)間為40～80 min時(shí),試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度在1081～1120 MPa范圍內(nèi),屈服強(qiáng)度在993～1013 MPa范圍內(nèi),斷面收縮率在56.0%～56.3%范圍內(nèi),在寬熱處理回火時(shí)間窗口內(nèi)綜合力學(xué)性能穩(wěn)定。

3) 當(dāng)回火時(shí)間為40～80 min時(shí),試驗(yàn)鋼的拉伸斷口均有明顯的縮頸現(xiàn)象,起裂源區(qū)為細(xì)小韌窩伴有撕裂棱的韌性斷裂,與斷面收縮率達(dá)到56%相對(duì)應(yīng)。

4) 在寬熱處理窗口回火時(shí)間40～80 min下,試驗(yàn)鋼的微觀組織及綜合力學(xué)性能穩(wěn)定,并滿足10.9級(jí)螺栓鋼抗拉強(qiáng)度≥1000 MPa,屈服強(qiáng)度≥900 MPa的要求。