金相组织评价高强度螺栓热处理质量

2022-01-04张先鸣雷素兰

机电产品开发与创新 2021年6期

张先鸣，雷素兰

（浙江衢州天力紧固件有限公司，浙江衢州 324000）

0 引言

热处理主要是指采用加热、保温和冷却，使钢铁或合金的内部组织结构发生变化，从而获得预期的性能（如机械性能、加工性能、物理性能和化学性能等）的一种特殊工艺处理过程。高强度螺栓经过调质热处理（淬火加高温回火）具有良好的综合力学性能，有较高的强韧性。

随着科学技术的进步与发展，金相显微镜不论在结构上，还是光学系统上都有很大的改进和提高。 GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》强调对8.8 级及以上产品材料要求具有良好的淬透性，GB/T 3098.23—2020《紧固件机械性能M42～M72 螺栓、螺钉和螺柱》也要求8.8 级及以上产品材料必须使用合金钢，以保证紧固件螺纹截面的芯部在淬火后、回火前获得约90%的马氏体组织。为此，金相检验在紧固件行业得到快速发展。金相检验不仅是借助于金相显微镜来研究金属材料的内部组织，而且还通过肉眼或低倍放大镜下进行宏观检验。

目前工厂常用的如10B21、SWRCH35K、45 （生产8.8级螺栓），10B33、40Cr、SCM435、ML35CrMo、42CrMo（生产10.9级螺栓）及40CrMoV、40CrNi2Mo、45CrMoVE、SNCM439（生产12.9 级螺栓）等牌号。此类钢广泛应用于汽车、工程机械、高铁、轨道交通、风电等领域用高强度紧固件，高等级紧固件一般要通过预先热处理（软化、球化退火）；最终热处理（淬火并回火），以改善其硬度和金相组织，且获得不同的力学性能和使用性能。

紧固件产品的热处理质量控制对象大部分是经过加工的半成品或成品件，热处理生产是连续批量投入成炉生产，一旦出现热处理质量问题，损失很大。如果热处理后的紧固件在质量检验中未按要求规范、准确检测导致其质量未得到有效控制，很容易在后期使用中发生严重的失效事故，造成更大的损失。加强、规范并提升热处理件的检验水平是控制质量风险的主要手段之一。

高强度螺栓的疲劳寿命一直是受到重视的问题，数据表明螺栓的失效绝大多数是由于疲劳破坏引起的，且疲劳破坏时螺栓几乎无征兆，一些重大事故往往在热处理未淬透组织的位置产生疲劳裂纹源。

热处理能够优化紧固件材料性能，使其疲劳强度提高，针对高强度螺栓越来越高的使用要求，通过热处理提高螺栓材料的疲劳强度更显十分重要。要保证低、中碳钢和中碳合金钢制紧固件的质量，就必须严格控制热处理过程，使其内在质量达到预定的要求。而金相组织检验就是评价零件热处理后内在质量的重要手段之一。金相检验不仅能反映出零件热处理的结果，还能够验证热处理工艺的合理性和热处理过程的符合性，为紧固件热处理工艺技术优化和质量控制提供科学依据。

1 调质的金相检验

调质（淬火+高温回火）是将亚共析钢加热超过Ac3以上（30～50）℃，淬火后得到的组织应是板条状马氏体和针片状马氏体，在中高温回火过程中，马氏体中析出碳化物，获得回火索氏体或回火屈氏体组织。

1.1 调质组织评定规范

高强度螺栓应确保淬火时奥氏体化充分，淬火组织均匀，无未溶铁素体及非马氏体组织产生，必须充分重视淬火态组织的金相检验。尤其是对10.9 级及以上，高强度螺栓而言，淬火组织的均匀性尤为重要。国外生产企业对高强度螺栓热处理，很重视钢的充分奥氏体化，确保其组织的均匀性，以获得最佳的强韧性配合，保障螺栓服役时的安全可靠。而国内高强度螺栓制造商对此尚未引起足够重视，普遍存在的问题是螺栓淬火加热保温不足，奥氏体化不充分。

评定调质处理的质量采用GB/T 38720—2020 《中碳钢与中碳合金结构钢淬火金相组织检验》，规范了常用中碳钢与中碳合金结构钢的材料分类及质量要求、显微组织检验方法、淬火组织等级与显微组织评定。该标准适用于中碳钢与中碳合金结构钢制零件淬火、回火后金相组织的检验与评定。不适用于脱碳、过烧、等温淬火等组织的评定。标准要求试样应在冷态下用机械方法制取；若采用热切时，必须将热影响区完全去除。制样过程中，不能出现因受热而导致的组织改变现象。试样抛光后用体积百分数2%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀。

标准以马氏体和铁素体为两个主要控制要素，淬火组织（1～6）级，分别以加热温度为考虑对象，采取了过热、加热温度偏高、加热温度正常、加热温度偏低时形成的马氏体针长的差异状态进行分级。淬火组织（7～10）级，主要考虑冷却因素的影响导致铁素体的体积分数、形态等以及其他非马氏体组织对性能的影响进行了分级，出现网状非马氏体组织和马氏体体积分数小于80%的状态对材料或紧固件的力学性能将带来严重影响，是不允许的，需要重点关注。

淬火状态下的金相组织分析，在光学显微镜下要求放大倍率500 倍，观察5 个以上视场与标准图片比较定级。合格级别可由供需双方协商约定，没有约定的以（2～6）级为合格范围，大规格螺栓可放宽至1 级。生产实践表明，在低温环境下服役的螺栓，（2～5）级为验收标准。如果在评级时有争议，可以参考力学性能检验结果进行判定，尤其是低温冲击功的指标是否满足技术要求。

GB/T 38720—2020《中碳钢与中碳合金结构钢淬火金相组织检验》适用于中碳钢与中碳合金结构钢整体淬火或淬火+180℃回火显微组织的马氏体组织的检验方法以及马氏体金相图片的比较法。试样制取及试样的侵蚀与一般金相样品相同。马氏体照片放大倍数均为500 倍，在评级过程中只需将样品放大500 倍后的马氏体组织与标准评级图片进行对比就可知道该样品的马氏体级别。

参考GB/T 6394—2017 《金属平均晶粒度测定方法》中表6“均匀、各向同性的等轴晶粒显微晶粒度关系”关于晶粒平均直径的数据对马氏体针长进行量化分类，从而可以有效满足中碳钢和中碳合金钢淬火组织的等级评定和质量控制。表1 为马氏体等级及马氏体针长与对应平均晶粒度对照，可以通过马氏体级别评判平均晶粒度级别，以减少检验的时间和工作量。

表1 马氏体等级及显微组织说明与对应平均晶粒度Tab.1 Description of martensite grade and microstructure and corresponding average grain sizes

1.2 调质组织评定实例

由于奥氏体化温度不同，马氏体形态和大小不一样。1 级属于过热组织，是粗大的板条马氏体+粗片针马氏体，而6 级则属于奥氏体化温度较低，淬火组织是隐针马氏体、细针马氏体和不大于5%的铁素体（体积分数）；正常淬火时控制应在（2～5）级，其组织为细针状马氏体+板条马氏体或板条马氏体+针状马氏体，2 级具有较高的冲击韧性、屈服强度和抗拉强度，适用于较大规格且要求淬透性高的螺栓。图1 为40Cr 钢板条状及针状马氏体3 级，图2 为42CrMo 钢板条状及针状马氏体+多角状铁素体2级，图3 为SCM435 钢板条状及针状马氏体3 级，以上为正常淬火组织。

图1 板条状及针状马氏体（40Cr×1000）3 级Fig.1 Lath and acicular martensite （40Cr× 1000） Grade 3

图2 板条状及针状马氏体+多角状铁素体（42CrMo×500）2 级Fig.2 Lath and acicular martensite + polygonal ferrite（42CrMo× 500） Grade 2

图3 板条状及针状马氏体（SCM435×500） 3 级Fig.3 Lath and acicular martensite （SCM435 × 500） Grade 3

回火索氏体组织实际上是在α 相基体上分布的极小颗粒状碳化物，如图4、图5 所示。回火温度根据高强度螺栓等级要求，一般在（450～600）℃，具体温度范围视钢的化学成分有所区别。因为合金元素的加入会减缓马氏体的分解、碳化物的析出和聚集以及残余奥氏体的转变等过程，回火温度将移向更高。

图4 回火索氏体（42CrMo×1000） 1 级Fig.4 Tempered sorbite （42CrMo × 1000） Grade 1

图5 回火索氏体（35CrMo×500）4 级Fig.5 Tempered sorbite （× 500） Grade 4

2 调质的缺陷组织

2.1 淬火过热组织

由于淬火加热温度偏高，致使奥氏体晶粒长大，淬火后得到粗大的马氏体组织，如图6 所示。一旦出现粗大针状马氏体，即使采用合理的回火温度进行回火，也不能获得较好的综合力学性能，具有该组织的螺栓在使用过程中极有可能发生早期断裂失效事故。

图6 粗大的马氏体组织（42CrMo×500）1 级Fig.6 Coarse martensite structure （42CrMo × 500） Grade 1

SWRCH35K 正常淬火温度一般不超过870℃。图7 试样为920 ℃淬火时，晶粒急剧长大，不同晶粒内平行的马氏体位向是不同的，奥氏体化相应提高，淬火后残余奥氏体相对多一些。粗大马氏体组织综合性能差，也容易淬裂。

图7 粗大马氏体及少量残余奥氏体（SWRCH35K×500）Fig.7 Coarse martensite with a small amount of retained austensite （SWRCH35K×500）

2.2 淬火欠热组织

高强度螺栓正常淬火后得到的组织应是板条状马氏体和针片状马氏体。淬火欠热是淬火加热温度过低，或保温不足，奥氏体未均匀化，导致淬火后的组织为马氏体和未溶铁素体，如图8 所示。铁素体即使回火也不能消除。

图8 马氏体和未溶的铁素体（45×500）Fig.8 Martensite and undissolved ferrite （45×500）

45 钢在Ac1～Ac3 保温，铁素体仍留在基体内，如图9所示。同时由于淬火温度低，保温时间短，奥氏体均匀化差，冷却时局部发生了屈氏体转变。图10 ML25B 钢高温回火后心部组织回火屈氏体+多角状铁素体。

图9 马氏体+团絮状屈氏体+块状、多角状铁素体（45×500）Fig.9 Steel martensite + tufted troostite + massive and polygonal ferrite （45×500）

图10 高温回火后心部组织回火屈氏体+多角状铁素体（ML25B×500）Fig.10 Microstructure in the core after high temperature tempering：tempered troostite+polygonal ferrite （ML25B×500）

2.3 欠淬透组织

淬火温度正常且保温时间足够，但冷却速度不够以至于不能淬透，结果沿工件截面各部位将得到不同的组织，即使表面是马氏体，往中心会逐步出现非马氏体组织。非马氏体组织有屈氏体、贝氏体等，心部为屈氏体和铁素体等组织。在低合金钢中出现的非马氏体组织一般不是屈氏体，而是上贝氏体，如图11 所示。该组织为马氏体基体上分布有少量贝氏体，用金相方法较容易检验出这种缺陷。

图11 心部组织回火索氏体+上贝氏体（×500）Fig.11 Microstructure of the core：tempered sorbite + upper bainite （×500）

中碳钢调质组织形态取决于淬火态组织，加热不足而残留在马氏体组织中的块状铁素体，或冷却不足而在晶界处析出网状或半网状铁素体，都是有害的。

值得注意的是：加热不足引起的未溶铁素体与冷却不足时先析出铁素体在形态上是有区别的，前者呈圆钝块状或厚薄不均匀断续网状（图12），而后者是新形成的先共析铁素体，形态上比较纤细，分布在奥氏体晶界上（图13）。

图12 淬火欠热组织（40Cr×500）Fig.12 Underquenched structure （40Cr×500）

图13 淬火冷却不足组织（40Cr×500）Fig.13 Underquenched structure （40Cr×500）

带状铁素体组织常出现在热轧结构钢显微组织中，沿轧制方向平行排列，呈层状分布，形同条带。带状组织的存在使钢的组织不均匀，并影响钢材性能，形成各向异性，降低钢的塑性、冲击韧度和断面收缩率，造成冷镦、冷挤压、冲压时废品率高，螺栓热处理时容易变形等不良后果。

中低碳螺栓钢中的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带和以珠光体为主的带彼此堆叠形成的组织形态。通常认为，元素偏析是产生带状组织的最根本原因。在合金含量较低的低碳钢中，大量研究表明，C、Mn 元素的带状偏聚是产生带状组织的主要原因。但对于合金元素含量较高的钢种，除了C、Mn 等元素外，其他合金元素如Cr、Si、Ti、Mo、S 等同样容易产生带状偏聚。形成带状组织的根本原因是钢铁材料的成分偏析，消除带状组织的最好方法是高温扩散退火。若成分偏析未充分消除，尽管经过正火、退火或淬火处理后，其带状特征仍然存在，显微组织中就会出现残余带状组织。

例如40Cr 钢M30×180 螺栓调质后，检测后发现显微组织中，为回火索氏体或回火屈氏体和残余带状铁素体，说明调质处理前显微组织中带状组织级别较高，淬火加热无法消除其带状组织特征，35K 钢M20×180 螺栓调质后带状组织；35 CrMo 钢M16×100 螺栓调质后带状组织，45 钢M10×35 螺栓调质后带状组织分别见图14～图17。

图14 M30×180 螺栓调质后带状组织（40Cr×500）Fig.14 Banded structure of M30×180 bolt after quenching and tempering （40Cr×500）

图15 M20×180 螺栓调质后带状组织（35K×500）Fig.15 Banded structure of M20×180 bolt after quenching and tempering（35K×500）

图16 M16×100 螺栓调质后带状组织（35CrMo×500）Fig.16 Banded structure of M16×100 bolt after quenching and tempering （35CrMo×500）

图17 M10×35 螺栓调质后带状组织（45×500）Fig.17 Banded structure of M10×35 bolt after quenching and tempering （45×500）

调质后按GB/T 38720—2020 《中碳钢与中碳合金结构钢淬火金相组织检验》，紧固件对应淬火组织+450℃回火的显微组织，以90%回火屈氏体为基准，可以量化按（1～6）级评定。该标准评级图，适用于12.9 级或相近等级中碳结构钢调质处理的8.8 级高强度螺栓。被评定的调质组织在（7～10）级之间时，则判为不合格产品。紧固件对应淬火组织+600℃回火的显微组织，以90%回火索氏体为基准，可以量化按（1～6）级评定，适用于8.8 级或10.9 级且相近等级合金结构钢调质处理的高强度螺栓。被评定的调质组织在（7～10）级，则判为不合格产品。

图18～图20 分别是ML25B 钢M24×90 螺栓回火屈氏体组织5 级；10B21 钢M10×50 螺栓回火屈氏体组织3 级；40Cr 钢M36×290 螺栓回火索氏体组织2 级正常组织。

图18 M24×90 螺栓回火屈氏体组织5 级（ML25B×500）Fig.18 M24×90 bolt tempered troostite structure grade 5（ML25B×500）

图19 M10×50 螺栓回火屈氏体组织3 级（10B21×500）Fig.19 M10×50 bolt tempered troostite structure grade 3（10B21×500）

图20 M36×290 螺栓回火索氏体组织2 级（40Cr×500）Fig.20 M36×290 bolt tempered sorbite structure grade 2 （40Cr×500）

生产实践表明，在低温环境下服役的紧固件，尤其是风电机组高强度螺栓（1～5）级为验收标准。如果在评级时有争议，可以参考力学性能检验结果进行判定。

图21、图22 分别是42CrMo 钢M36×720 螺栓回火索氏体6 级+块状铁素体组织；36CrB4 钢M48×325 螺栓回火索氏体3 级+硼化物夹杂组织，造成低温冲击韧性值下降，低于标准要求的27J，可见调质组织均匀性和原材料品质对力学性能的影响。

图21 M36×720 螺栓回火索氏体+块状铁素体组织6 级（42CrMo×500）Fig.21 M36×720 bolt tempered sorbite + massive ferrite microstructure Grade 6 （42CrMo×500）

图22 M48×325 螺栓回火索氏体组织3 级+硼化物夹杂（36CrB4×500）Fig.22 M48×325 bolt tempered sorbite structure grade 3+boron oxide inclusions （36CrB4×500）

3 热处理常见淬火缺陷

螺栓调质热处理工艺中淬火缺陷最为常见，如硬度不足不均、变形和开裂等。产生缺陷的原因很多，需从各方面分析，而金相检验是常用的方法之一。

3.1 淬火裂纹

淬火裂纹是紧固件在淬火过程中形成的应力性质的宏观缺陷，淬火时在螺栓中引起的内应力是造成变形与开裂的根本原因，当内应力超过材料的屈服强度时，便引起变形；当内应力超过材料的断裂强度时，便造成开裂。各种内外因素（主要有紧固件的几何尺寸和形状，材料的化学成分与淬透性，淬火的工艺条件和工艺方法，存在于淬火不同部位的应力集中效应等）对淬裂形成过程具有错综复杂的影响，且通过内应力和材料断裂强度的或消或涨的影响而作用的；并以淬火件的几何尺寸与结构对淬火冷却速度的影响最大，其他诸因素的影响居次。分析淬火裂纹原因，可以从两方面来考虑，一是有哪些因素造成了较大的应力；二是材质有没有缺陷，致使强度和韧性降低。淬火裂纹特征及痛点：

（1）多数情况下裂纹由表面向心部扩展，宏观形态较平直。

（2）从宏观与微观看裂纹两侧均无脱碳，但如果在氧化性气氛中进行过高温回火，则淬火裂纹两侧会有氧化层（图23）。