脉冲电流处理高强度螺栓钢抗延迟断裂性能的研究

韩忠良,侯建新,彭白星,董　越,马亚南,赵宇光（吉林大学　,　长春　130022）

脉冲电流处理高强度螺栓钢抗延迟断裂性能的研究

韩忠良,侯建新,彭白星,董越,马亚南,赵宇光
（吉林大学,长春130022）

摘要：电脉冲加热处理提高螺栓强度是20世纪后期发展起来的一项新技术，由于瞬间输入高密度脉冲电流，其产生的独特现象如电致塑性、电迁移、纳米晶粒生成等已引起学者们的关注。本文以SCM435高强度螺栓成品件为研究对象，致力于研究高能脉冲电流对其组织和性能的影响。通过进行不同的加热时间和回火方式实验，发现220ms是最佳加热时间，430℃箱式炉中保温4h和80ms脉冲电流处理为两种回火方式的最佳参数，力学性能最佳且晶粒达到最细化。在延迟断裂实验中，脉冲电流回火较箱式炉回火试样延迟断裂时间更长，且其延迟断裂性能均优于原始样。

关键词：脉冲电流；高强度螺栓；SCM435；显微组织；延迟断裂

1　研究背景

电脉冲处理技术是近些年来逐步被采用的新型材料组织性能改性技术，对材料瞬间通以高能脉冲电流其产生的焦耳热效应、电子迁移、电子风和电致塑性交互作用使得材料产生微观组织性能的变化进而改善了材料的使用性能。本文是以脉冲电流处理为手段，材质是SCM 435的高强度螺栓为研究对象，采用瞬时高能量的强脉冲电流处理来改善SCM 435螺栓的显微组织和力学性能，在水冷条件下，比较不同的加热参数，不同的回火方式，不同的回火温度对材料的组织的影响。使用自制的延迟断裂实验器材分析处理后的试样和初始状态的试样的延迟断裂性能，并探讨瞬时高能量强脉冲电流作用下SCM 435钢中发生的一系列瞬时动态过程，研究不同工艺参数下的脉冲电流处理对SCM 435钢组织性能的影响规律，为提高螺栓的使用寿命提供新的理论依据和实用技术[1]。

2　实验方法

2.1实验材料

本文实验材料为12.9级，全牙，内六角，长度85.88mm，直径为6.00mm的高强度螺栓成品件。材质是SCM 435，国内对应牌号35CrMo，初始状态为调质态。

2.2延迟断裂实验

自制的延迟断裂装置，两块厚的钢板选材Q235，为保证螺栓加载时螺母不陷入钢板，选用与12.9级高强度螺栓配套使用的高强度螺母，上面垫上自制的垫片。载荷采用扭力扳手对螺栓进行加载，每次都加载到相同的预紧力，这个预紧力是通过材料断裂时承受的载荷与安全系数之比求得的。试样中间开一个沟槽，浸泡在Walpole缓蚀液（醋酸钠+盐酸+去离子水或蒸馏水）中，对每组试样延迟断裂时间取平均值，以代表延迟断裂性能。

3　电脉冲处理后的微观组织与性能

最佳加热工艺参数的确定。为了寻找最合适的脉冲电流作用时间，我们首先需要经过试验找出最佳的电脉冲处理参数，而腐蚀不同条件作用下的原奥氏体晶界则可以找出最佳参数。本节最关键的是找出最佳的作用时间。取出三个试样，默认触发电压为5V，分别通以tp=220ms，tp=240ms，tp=260ms的脉冲电流，通电完成后立即喷水冷却，使红热的试样瞬间冷却至室温，发生马氏体转变。用线切割机切取淬火部分，并进行砂纸打磨、抛光。用过饱和苦味酸水溶液腐蚀原奥氏体晶界。

可以看到经过脉冲电流处理，当周波数逐级增大时，试样的原奥氏体晶粒也是逐级增大，当周波数小于10次即200m s时，由于温度不足试样奥氏体化不完全。当达到11周波即作用时间为220m s时如下图（a），试样的奥氏体晶粒最细，是优化的工艺参数；而12周波即作用时间为240m s时如下图（b），奥氏体晶粒已经开始长大，这显然是作用的时间的延长结果导致晶粒长大。而13周波时即作用时间为260m s时如下图（c）可以看到晶粒长大非常明显。

在水冷条件下不同脉冲时间处理后的的试样，随着作用时间的延长，淬火马氏体的硬度减小。当作用时间小于220m s时，由于输入能量不足，导致淬火后残余奥氏体的数量多，这降低了材料的硬度。而当作用时间大于220ms时，由于温度过高使得奥氏体晶粒长大，淬火后形成了粗大的马氏体组织，而作用时间愈长，这种现象就越明显，所以材料的硬度在下降。而220ms的作用时间是在现有实验条件下寻找到的最佳工艺参数。

4　不同处理状态的螺栓延迟断裂性能的研究

本实验采用恒载荷延迟断裂试验，在自制的实验装置上，对经过处理后的12.9级高强度螺栓进行延迟断裂试验，为了防止加载过程中螺纹脱扣，必须使用与螺纹配套的高强度螺母，而板料使用Q 235钢，螺母上放一块厚的垫片，以保证螺栓的预紧时螺栓能被拉伸。预紧载荷用扭力扳手加载，每次都加载到同一载荷，以保证各个螺栓的初始状态均相同，中间浸泡PH=2.5的Walpole缓蚀液（醋酸钠+盐酸+去离子水或蒸馏水），用摄像头来记录螺栓的断裂时间。

取三组试样，分别是在力学性能实验中每组中性能最为突出的220ms淬火态并经过430℃回火保温4h的试样1-4、经过220ms淬火态并经过80m s电脉冲回火的试样5-8和原始的调质态试样9-12，每组4个，使用扭力扳手加载到20N.m，每隔12h重新预紧一次，并补充腐蚀液的剂量，以保证其PH稳定，观察螺栓的延迟断裂时间。

4.1电脉冲淬火、箱式炉回火的延迟断裂实验

由表1经过延迟断裂实验可以看出，经过220ms电脉冲加热淬火后的试样在箱式炉中加热到430℃，并保温4个小时，它们的延迟断裂时间普遍在100小时以内，经过计算其平均值为85小时，螺栓的延迟断裂主要是腐蚀液中渗入的氢引起的脆断。

表1　箱式炉回火后的延迟断裂试验结果

12.9级高强度螺栓在220m s淬火+430℃回火工艺下呈现明显的沿晶断裂，沿晶断裂是高强度钢在应力腐蚀或氢环境中最为常见的断裂方式，在较高强度水平下，高强度钢延迟断裂初期裂纹往往沿原奥氏体晶界萌生和扩展，而经过上述工艺处理的螺栓的抗拉强度达到1500MPa左右，显然延迟断裂抗力与沿晶断裂倾向密切相关，随着沿晶断裂倾向的减小，延迟断裂抗力显著上升，因而强化晶界、抑制沿晶界断裂是提高高强度钢延迟断裂抗力的重要途径之一。但是，并不是奥氏体晶粒越细延迟断裂性能就越好，对于这方面的研究众说纷纭仍处于争议当中。由于淬火后都经过了长达4h的回火工艺，组织有足够的时间稳定并均匀化，所以上述工艺处理的试样在延迟断裂倾向上与原始试样相差不大。长达4h的回火处理使得整个螺栓的组织均匀，而强度降低，位错密度升高，碳化物的聚集状态改变，这些都使得其延迟断裂性能减弱，从力学性能上也可以看出，经过炉回火的试样延伸率更高。

4.2 电脉冲淬火、电脉冲回火的延迟断裂实验

由结果可以看出，经过220m s电脉冲淬火后的试样延迟断裂断口仍然是沿晶断裂，断口处有少量韧窝，韧性好于之前的试样。这种螺栓的抗延迟断裂性能显著提高，实验中试样8经过148小时仍没有出现断裂，而断裂的三根也是所有断裂的样品当中时间最久的，分别是119小时和125小时以及137小时。螺栓的这种抗延迟断裂性能显然与其独特的脉冲电流回火方式有关，作者认为是脉冲电流的瞬间输入引起了螺栓内部的应力结构变化，使得渗氢条件发生改变，即电流使P、S等杂质元素在晶界上的偏聚状态发生改变导致高强度钢在应力腐蚀及其含氢环境中发生沿晶断裂，提高了断裂抗力。

表2　电脉冲回火后的延迟断裂试验结果

5　结论

本文采用瞬时高能量脉冲电流对SCM 435高强度螺栓钢进行改性处理，分别进行了处理参数的优化，研究了脉冲电流处理淬火态的奥氏体晶粒大小，研究了脉冲电流淬火、回火这种新型便捷的工艺，并比较了传统箱式炉回火和电脉冲回火的性能差异，通过这些探讨了SCM 435高强度螺栓的强韧化机制，归纳得到如下结论：

（1）在SCM 435螺栓脉冲电流处理过程中，随着加热作用时间的延长，淬火态的螺栓的晶粒逐渐细化，力学性能逐渐变好，但是超过最优化处理参数后，由于温度过高，会导致奥氏体晶粒的显著长大，其相应的抗拉强度、硬度都会下降。寻找到最佳加热参数为tp=220ms。

（2）经过220ms加热淬火后的螺栓，再经过不同温度回火处理之后，马氏体均发生不同程度的分解，出现回火马氏体组织，回火屈氏体组织以及回火索氏体组织。经过430℃回火保温4小时的试样，抗拉强度为1462MPa，延伸率为9.2%，而经过480℃回火的试样，抗拉强度虽略有下降为1440MPa，但塑性却最好，延伸率达到了10.6%，经过530℃回火的试样，抗拉强度为1423MPa，延伸率为9.0%，三种工艺均高于传统的调质态的样品，原始样的相应数据为1281MPa和8.5%。

（3）经过220ms加热淬火后的螺栓，经过不同参数的电脉冲回火处理后，随着作用时间的延长，强度降低，塑性提高，但塑性均低于箱式炉回火的样品，这是由于脉冲作用时间过短，马氏体分解不彻底。经过40ms回火后，样品的抗拉强度达到1610MPa，延伸率仅为3.7%，经过60ms回火后，抗拉强度达到1581MPa，延伸率为4.2%，而经过80m s的处理，延伸率为6.0%，抗拉强度为1517MPa。三种工艺的强度均高于原始的调质态，但塑性显然都因强度的提高而大幅受损。

（4）在两组处理后的样品中，选取力学性能最好的220ms+430℃*4h工艺以及220ms+80ms的每组4个试样，在自制延迟断裂设备上做延迟断裂实验，浸泡在Walpole缓蚀液（醋酸钠+盐酸+去离子水或蒸馏水）中，发现原始样和保温4h的工艺由于最终处理都是长时间的高温回火保温，且时间较长，两组的延迟断裂时间相差不多，一组为79.5h，一组为85h。但是，经过电脉冲回火后，抗延迟断裂的能力明显提高，这是由于力学性能的提高导致延迟断裂时的临界应力值得到提高，而在同一预紧力水平下，由于没有达到这一标准，导致延迟断裂倾向降低。而晶粒的细化在其中也显然起到了一定作用。

参考文献：

[1]杨清.脉冲电流对GCr15钢组织及性能的影响[D].长春：吉林大学材料科学与工程学院,2013.