12.9级高强度耐候螺栓钢的抗氢致延迟断裂性能

张欢欢 朱思远 王 倩 王青峰 顾晓勇 张 瑞 杨照军

（1.燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛 066004；2.中铁山桥集团，河北秦皇岛 066205；3.南京钢铁股份有限公司，江苏南京 210035；4.安徽长江紧固件有限责任公司，安徽六安 237000）

高强度螺栓作为基础零部件，被广泛应用于桥梁、建筑及汽车等钢结构，且由于具有承载力高、施工简便等优点，已成为工程连接中的主要手段。近年来，随着建筑、桥梁等强度水平的要求不断提高，螺栓的强度及服役条件也越来越高［1-3］。螺栓强度等级提高带来高承载效益的同时，氢致延迟断裂的风险也随之增大，尤其是当抗拉强度超过1 200 MPa时，材料的氢敏感性尤为突出［4-6］。

氢致延迟断裂现象的产生是由于材料内部的氢向应力集中位置扩散、聚集，材料在静载下经过一定时间后突然脆性破坏。这种现象是材料、环境、应力相互作用而发生的一种环境脆化，是氢导致材质恶化的一种形态［7-8］。延迟断裂现象是妨碍机械制造用钢高强度化的一个主要因素。

目前大部分钢结构用高强度螺栓都采用回火处理，以实现更好的强韧性匹配，同时降低钢的氢致开裂敏感性；并通过调整含碳量和合金元素的种类及含量，以及调整热处理工艺，以获得高强度抗氢致延迟断裂耐候螺栓。然而，氢致延迟断裂问题依然突出。惠卫军等［9-11］在42CrMo钢的基础上添加Ti、V等微合金元素并改善热处理工艺以提高材料的抗氢致延迟断裂性能。刘昌奎等［12］研究发现，30CrMnSiA螺栓在其材质氢含量仅1×10-6条件下就发生了氢致脆性断裂，断裂原因并非由于氢含量过高，而主要是由于螺栓存在一定程度的回火脆化。

因此，本文在前人研究的基础上，对自主研发的12.9级高强度螺栓钢进行氢渗透及恒载荷延迟断裂试验，以探究回火温度对其氢扩散及抗氢致延迟断裂性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为自行设计、研制的12.9级高强度耐候螺栓钢。由中铁山桥集团高强度紧固器材有限公司提供试制M30螺栓钢热轧棒材，其化学成分如表1所示。

表1 12.9级耐候螺栓钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of 12.9 grade weathering bolt steel（mass fraction） %

1.2 热处理

对试棒进行淬火、回火处理。淬火温度为900℃，保温时间为40 min，为防止淬火变形开裂，冷却介质采用植物油。回火温度分别为500、550、600 ℃，保温时间为90 min，空冷。

1.3 氢渗透试验

从热处理后的试棒上切取氢渗透试样，尺寸为60 mm ×30 mm ×0.8 mm，表面粗糙度为0.8。参照ASTM G148—1997《用电子化学技术对金属中氢摄取、渗透和传递率评定规程》，采用Devanathan-Stachurski双电解池电化学氢渗透法进行扩散氢／渗透氢试验。根据测得的氢渗透曲线确定氢扩散系数D0及可扩散氢浓度C0。将D0及C0作为表征氢脆倾向的参量，分析热处理工艺对螺栓实物氢脆倾向的影响。

氢扩散系数D0计算公式为：

式中：D0为氢扩散系数，cm2／s；L为试样厚度，cm；tL为滞后时间，定义为阳极瞬时电流密度达到稳态电流密度的0.63倍时所对应的时间，s。

可扩散氢浓度C0计算公式为：

式中：C0为可扩散氢浓度，mol／cm3；i∞为稳态阳极电流密度，mA／cm2；L为试样厚度，cm；F 为法拉第常数，96 485 C／mol；D0为氢扩散系数，cm2／s。

1.4 恒载荷延迟断裂试验

从不同淬、回火态的棒材上切取恒载荷缺口拉伸试样，尺寸如图1所示。参照ISO／FDIS 16573：2014（E）《高强钢抗氢致延迟断裂性能试验评价方法》，在RDL-YF（50 kN）型恒载荷应力腐蚀试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为0.005 mm／min，加载至0.8倍缺口拉伸强度，采用试样断裂时间表征其抗氢致延迟断裂性能。拉伸试验条件如表2所示。

表2 恒载荷缺口拉伸试验条件Table 2 Constant-load notched tensile test conditions

图1 恒载荷缺口拉伸试样Fig.1 Constant-load notched tensile specimen

1.5 显微组织观察

取回火态试样经研磨抛光后，用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在日立S-3400N型场发射扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）上进行观察。用盐酸+六次甲基四胺缓蚀剂对恒载荷延迟断裂试样进行酸洗除锈，采用SEM观察其断口形貌。薄膜试样经机械预减薄后再双喷电解减薄，在JEM-2100F型透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）上进行观察。

2 试验结果

2.1 力学性能

表3为试验钢经900℃淬火和不同温度回火后的力学性能，都满足12.9级螺栓材料的力学性能要求。此外，随着回火温度的升高，钢的强度逐渐下降，且温度每提高50℃，强度下降30～40 MPa。

表3 试验钢经900℃淬火和不同温度回火后的力学性能Table 3 Mechanical properties of the tested steel quenched from 900℃ and tempered at different temperatures

2.2 显微组织

图2为试验钢经900℃淬火和不同温度回火后的显微组织，均为回火马氏体，其板条形态清晰可见，组织无明显差异；晶内存在不同取向的马氏体Packet结构，部分Packet结构随回火温度升高逐渐融合消减。

图2 试验钢经900℃淬火和不同温度回火后的显微组织Fig.2 Microstructures of the tested steel quenched from 900 ℃ and tempered at different temperatures

2.3 抗延迟断裂性能

表4为在不同温度回火的试验钢的缺口抗拉强度及断裂时间。由表4可知，随着回火温度的升高，试验钢的缺口抗拉强度逐渐降低，断裂时间显著延长且均大于100 h，说明抗氢致延迟断裂性能明显提高。

表4 在不同温度回火的试验钢的缺口抗拉强度及延迟断裂时间Table 4 Notch tensile strength and delayed fracture time of the tested steel tempered at different temperatures

2.4 氢渗透行为

图3为在不同温度回火的试验钢的氢渗透曲线。表5为根据氢渗透曲线计算的氢扩散系数D0和可扩散氢浓度C0。随着回火温度的升高，试验钢的氢扩散系数D0增大，可扩散氢浓度C0略微增加。

表5 不同温度回火的试验钢的氢扩散系数和可扩散氢浓度Table 5 Hydrogen diffusion coefficients and diffusible hydrogen concentration of the tested steel tempered at different temperatures

图3 不同温度回火的试验钢的氢渗透曲线Fig.3 Hydrogen permeability curves of the tested steel tempered at different temperatures

一般认为，氢扩散系数越大，表明氢原子在试样中扩散越容易，氢原子不易在试样内部聚集，试样的氢致开裂敏感性越小；氢扩散系数小，表明氢原子在试样中扩散困难，氢原子容易在试样内部缺陷处聚集，当氢原子聚集到一定浓度时，产生足够大的氢压，发生开裂。

2.5 断口形貌

图4为在不同温度回火的试验钢的延迟断裂断口SEM形貌。随着回火温度的升高，起裂区比例显著减小；裂纹扩展区均呈现出解理与韧窝混合断裂特征，且随着回火温度的升高，解理部分明显减少，600℃回火的钢几乎为韧窝断裂，即回火温度的升高能够降低试验钢的氢致开裂敏感性。

图4 不同温度回火的试验钢的延迟断裂断口SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of the delayed fracture of the tested steel tempered at different temperatures

2.6 碳化物

图5为在不同温度回火的试验钢的TEM形貌，均为马氏体板条结构，且板条边界析出了大量片状碳化物，板条内存在球状碳化物；随着回火温度的升高，马氏体板条边界逐渐模糊，析出相尺寸及数量显著增加。析出相能消除第二回火脆性，使试验钢获得良好的强韧性，同时还可作为氢陷阱捕获可扩散氢，降低氢的危害。

图5 不同温度回火的试验钢的TEM形貌Fig.5 TEM micrographs of the tested steel tempered at different temperatures

3 结论

（1）随着回火温度的升高，氢扩散系数D0增大，可扩散氢浓度C0略微增加。

（2）随着回火温度的升高，抗氢致延迟断裂性能明显提高，起裂区比例明显减小，600℃回火的钢几乎为韧窝形态。

（3）随着回火温度的升高，马氏体板条边界逐渐模糊，析出相的数量明显增加，析出相可作为氢的强陷阱捕获可扩散氢。