回火温度对NHL10耐候高强度螺栓钢组织和力学性能的影响

顾晓勇 刘洪武 刘浩然 王青峰

(1.中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066200；2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

钢结构采用高强度螺栓连接具有简便、可拆换、耐疲劳、不松动、较安全等优点。大型建筑等工程结构对连接用螺栓的强度性能要求更高[1]。

我国高强螺栓大多采用20MnTiB、35VB、40Cr等结构钢，不耐大气腐蚀，即使进行磷化处理，仍有较严重的均匀腐蚀、缝隙腐蚀等锈蚀现象。特别是普通高强度螺栓还可能发生应力腐蚀和腐蚀疲劳，具有突发性脆断和低应力破坏的危险性，使桥梁等钢结构存在不可忽视的安全隐患，已有相关案例的报道。近年来，耐候桥梁钢发展迅速，但对耐候螺栓的研制相对滞后[2]。本文研究了10.9S级耐候高强螺栓用钢的热处理工艺。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用材料为由中铁山桥集团高强度紧固器材有限公司提供的NHL10热轧棒料。材料的化学成分如表1所示，耐候指数I=6.97，具有良好的耐大气腐蚀性能。原材料组织为铁素体+珠光体，如图1所示。

1.2 试验方法

表1 试验用NHL10钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested NHL10 steel (mass fraction) %

注：I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni) (%P)-33.39(%Cu)2

图1 热轧态NHL10钢的显微组织Fig.1 Microstructure of the hot- rolled NHL10 steel

对钢进行淬火和不同温度回火。淬火温度875 ℃，保温时间60 min，水冷；回火温度为400～650 ℃(温度间隔为50 ℃)，保温40 min，空冷。在DDL- 100型电子万能试验机上进行拉伸试验，在JB- 300B冲击试验机上进行冲击试验(KU2)；采用HR- 150A型洛氏硬度计测定硬度。

金相试样尺寸为10 mm×10 mm，打磨、抛光后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在Axiover- 200MAT光学显微镜下观察组织；采用S- 3400N型扫描电镜及EBSD装置检测钢的Packet、Block结构[3]，并分析冲击试样的断口形貌；用线切割加工出厚约300 μm的薄片，用砂纸打磨减薄到30 μm以下，而后冲成φ3 mm的试片，再采用双喷电解法制成薄膜试样，在JOEL- 2010型透射电镜下观察。

2 试验结果及讨论

2.1 回火温度对力学性能的影响

由表2可知，随着回火温度的升高，钢的强度、硬度降低，冲击性能提高。与400 ℃回火的钢相比，450 ℃回火的钢的强度和硬度下降幅度不大，在550 ℃回火的钢的强度和硬度下降最明显，550 ℃以上回火的钢，强度和硬度下降幅度较小。通过与GB/T 1231—2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》比较得出，钢的最佳回火温度为500 ℃。

表2 不同温度回火后试验钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of the tested steel after tempering at different temperatures

2.2 回火温度对显微组织的影响

试验钢经875 ℃淬火和不同温度回火后的显微组织如图2所示，主要是回火托氏体和回火索氏体。在回火过程中，马氏体分解，过饱和α固溶体中的碳原子析出，在较低温度回火时，组织仍有板条特征，基体上分布着细小的颗粒状渗碳体；随着回火温度的升高，碳原子活性增大，钒、钛等微量合金元素与碳原子结合形成碳化物，同时α固溶体发生回复和再结晶，针状铁素体长/宽比缩小粗化，向多边形铁素体转变，颗粒状渗碳体聚集长大成球状渗碳体分布在铁素体中，组织转变为回火索氏体。

试验钢经875 ℃淬火和不同温度回火后的扫描电镜组织如图3所示。可见，组织的原始奥氏体晶界、马氏体Packet界以及内部Packet结构清晰可见。随着回火温度的提高，Packet结构的平均尺寸逐渐增大，在400、450 ℃回火时，Packet尺寸增长较慢，在500 ℃以上回火时，Packet尺寸增长较快，如表3所示。

图2 试验钢经(a)400、(b)450、(c) 550和(d)650 ℃回火后的显微组织Fig.2 Microstructures of the tested steel tempered at (a) 400 ℃, (b) 450 ℃,(c) 500 ℃, and(d) 650 ℃

图3 试验钢经(a)400、(b)450、(c)500和(d)650 ℃回火后的扫描电镜组织Fig.3 SEM micrographs of the tested steel tempered at (a) 400 ℃, (b) 450 ℃,(c) 500 ℃, and (d) 650 ℃

表3 试验钢经不同温度回火后的Packet尺寸Table 3 Packet sizes of the tested steel tempered at different temperatures

采用背散射电子衍射(EBSD)对回火马氏体亚结构进行晶粒取向分析，图4为晶粒取向图，表4为钢经不同温度回火后的Block结构尺寸。回火马氏体的Block平均尺寸从1.07 μm增大到1.44 μm，回火马氏体Block的平均尺寸随着回火温度的升高而略有增加。表5为不同温度回火的钢的大角度晶界比例，可以看出，随着回火温度的升高，大角度晶界的比例从51.7%增加到了60.0%。

图4 试验钢经(a)400、(b)450、(c)500和(d)650 ℃回火后马氏体的取向图Fig.4 Orientation maps of martensite in the tested steel tempered at (a) 400 ℃, (b) 450 ℃, (c) 500 ℃, and (d) 650 ℃

表4 试验钢经不同温度回火后的马氏体Block平均尺寸Table 4 Average size of Block in the tested steel tempered at different temperatures

为进一步分析回火过程中的组织变化规律，对不同温度回火的钢进行透射电镜观察。图5表明，在较低温度(400 ℃)回火的钢马氏体板条边界清晰，板条紧密平行排列，随着回火温度的升高，析出相和碳化物增多并逐渐长大，板条边界出现析出相并逐渐模糊。回火温度继续升高，钢中析出相增多，由点状逐渐转变为球状，尺寸增大。回火过程中，钢中原过饱和固溶碳原子脱溶，并在马氏体板条内、边界处析出，并与钒、钛、铬等强碳化物形成元素形成碳化物。随着回火温度的升高，碳化物等析出相数量增多，碳原子向马氏体板条边界聚集，使板条边界的碳化物数量增多，并聚集球化[4- 5]。

表5 不同温度回火的试验钢的大角度晶界比例Table 5 Percentages of large angle grain boundaries in the tested steel tempered at different temperatures

图5 经(a) 400、(b)450、(c) 500和(d) 650 ℃回火的试验钢的TEM形貌Fig.5 TEM micrographs of the tested steel tempered at (a) 400 ℃, (b) 450 ℃, (c) 500 ℃, and (d) 650 ℃

2.3 显微组织对力学性能的影响

淬火后钢的强度、硬度最高，但淬火应力较大。400和450 ℃回火的钢，马氏体刚开始分解，内应力部分消除，强度、硬度下降幅度不大；500和550 ℃回火的钢，马氏体和残留奥氏体逐渐分解为回火托氏体，大部分内应力得以消除；600和650 ℃回火的钢，内应力已基本消除，强度和硬度趋于稳定，冲击吸收能量增大。

不同温度回火的钢的冲击试样断口形貌如图6所示。400 ℃回火的钢主要为解理断口，有极少量韧窝和撕裂棱；随着回火温度的升高，断口解理面减少，韧窝增多；400、450 ℃回火的钢，冲击试样的断裂为准解理断裂。500 ℃以上回火的钢，韧窝逐渐增多，解理面基本消失，且随着回火温度的升高，韧窝缩小，部分韧窝拉长，主要为韧性断裂。大角度晶界可有效阻止裂纹的扩展，在晶粒取向差≥15 °的大角度晶界处，解理裂纹会发生显著的转折，从而消耗更多的能量，大角度晶界越多，对裂纹扩展的阻碍作用越大[6]。随着回火温度的升高，大角度晶界数量增多，有利于提高钢的冲击韧性，断裂机制从准解理断裂向韧性断裂转变。

图6 经(a) 400、(b)450、(c) 500和(d) 650 ℃回火的试验钢冲击试样的断口形貌Fig.6 Fracture patterns of impact sample of the tested steel tempered at (a) 400 ℃, (b) 450 ℃, (c) 500 ℃, and (d) 650 ℃

由于晶界阻碍位错的运动，而且晶粒之间存在位向差，为了协调变形，晶粒要进行多次滑移从而发生位错的相互交割，导致金属的强度提高。根据Hall- Petch公式[3]，对试验钢的屈服强度与Packet、Block结构尺寸D-1/2进行拟合，结果如图7所示。可见试验钢的屈服强度与Packet、Block结构尺寸D-1/2之间呈线性关系，式(1)、式(2)为拟合公式。因此，细化Packet、Block结构均可提高试验钢的屈服强度，其中Block结构的拟合结果更好，对提高屈服强度更有效，是控制屈服强度的有效单元。

Rp=-583.96+4 611.7Dp-1/2

(1)

Rb=-1 503.49+2 853.1Db-1/2

(2)

式中：Dp为Packet结构的平均尺寸，Db为马氏体Block结构的平均尺寸。

图7 试验钢的屈服强度与Packet、Block结构尺寸D-1/2的线性拟合Fig.7 Linear fitting of yield strength into size D-1/2 of Packet and Block for the tested steel

3 结论

(1)875 ℃水淬的NHL10耐候高强度螺栓钢，随着回火温度的升高，马氏体板条形态逐渐消失，过饱和α相中析出碳化物，并在马氏体边界聚集球化，尺寸增大，组织逐渐转变为回火托氏体和回火索氏体。

(2)淬火后随着回火温度的升高，钢的强度和硬度逐渐降低，断后伸长率和冲击韧性逐渐升高，屈服强度与Packet、Block结构尺寸的-1/2次方呈线性关系，冲击断裂机制由准解理断裂转变为韧性断裂。

(3)NHL10耐候高强度螺栓钢的最佳热处理工艺为875 ℃水淬随后500 ℃回火。