一种宽回火时间窗口的10.9级螺栓钢组织和性能

王娇娇, 刘宏春, 刘 泳, 陈红卫, 田志强, 张洪起

(河钢材料技术研究院, 河北 石家庄 050023)

面对汽车、建筑等行业的不断发展,各种紧固件的制造材料也面临越来越高的要求,螺栓连接具有安装效率高、受力性能好、易于维护等优点在紧固件连接中所占比重最高[1]。值得注意的是,随着桥梁工程、各种建筑向大型化与大跨距化趋势发展,所用钢材强度明显提高,螺栓连接件苛刻的服役环境以及工作应力不断提高,并且面对降低能耗的新要求,最有效的措施是研发高强度螺栓用钢[2-3]。高强度螺栓包括8.8级、9.8级、10.9级以及12.9级强度水平,随着人们对安全性的要求越来越高,高强度螺栓的质量和服役性能的稳定发挥显得至关重要。近年来已有学者从热处理工艺改进[4]、失效分析[5]、氢脆断裂机制[6-8]等方面对高强度螺栓进行研究,对高强度螺栓的研究提供重要参考价值。但对螺栓钢性能稳定性的研究较少,所以本文对一种宽热处理窗口的10.9级螺栓钢的组织性能进行了研究。

1 试验材料及方法

本文研究的10.9级螺栓钢在50 kg真空感应炉中进行冶炼,并浇铸成钢锭,试验钢的化学成分如表1所示。将钢锭加热到1200 ℃保温2 h,经多道次热轧为40 mm厚的热轧板坯,终轧温度大于900 ℃,空冷至室温。在热轧板坯上截取金相、硬度以及拉伸毛坯(沿轧制方向),将毛坯在电阻加热炉中加热到870 ℃保温60 min后水淬,随后加热至550 ℃分别回火40、60、80 min,空冷至室温。

表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)

将热处理后的毛坯加工成φ10 mm的标准拉伸试样,并于Z330E型拉伸机上进行室温拉伸试验,拉伸速度为1 mm/min,为保证结果的准确性,取至少2个平行试样的平均值,并在ULTRA 55型场发射扫描电镜下进行拉伸断口形貌观察;将机械研磨及抛光后的硬度试样用R574/T型洛氏硬度计进行硬度测定;经机械研磨、抛光及侵蚀后的金相试样,在AXio Observer.A1m型倒置显微镜(OM)和SEM下进行微观组织观察;利用冲孔机将研磨后的透射试样冲成φ3 mm的圆片,随后利用双喷减薄仪进行减薄,双喷溶液为无水乙醇+6%(体积分数)高氯酸溶液,减薄温度为-20 ℃,利用Tecnai F30型透射电镜进行形貌以及析出物观察,使用附带能谱对析出物进行成分分析。

2 试验结果与讨论

2.1 回火时间对微观组织的影响

水淬后试验钢微观组织的OM和SEM形貌如图1所示。水淬试验钢为典型的马氏体板条组织,并且平行排列的板条组织形成板条束结构,即Packet结构,此时的马氏体Packet结构宽度较窄,长度较短[9]。

图1 水淬后试验钢的OM(a,b)和SEM图(c,d)Fig.1 OM(a,b) and SEM(c,d) images of the tested steel after water quenching

试验钢在不同回火时间下的OM和SEM形貌如图2所示。可以看出,淬火+高温回火后试验钢为高温回火马氏体组织,随回火时间的增加,仍有边界明显的马氏体板条,并且在马氏体板条间以及板条上析出的碳化物聚集球化、更加细小弥散,回火时间延长,微观组织变化不明显。有学者研究表明,弥散析出的碳化物的实质为合金渗碳体(M3C)、二次硬化碳化物(V,X)C、奥氏体化过程中未溶解的碳化物(V,X)C,其中,M=Fe、Cr、Mn;X=Mo、Cr[10-11]。

图2 不同回火时间下试验钢的OM(a～c)和SEM(d～f)图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

利用透射电镜进一步观察回火60 min后试验钢的微观组织形貌,如图3所示。可以看出,试验钢为典型的马氏体板条组织,并且伴随细小弥散的析出相;对析出相进行能谱分析(红色框选),发现这些析出物为(Mn,V)C,这与OM与SEM观察到的细小弥散碳化物相对应。

图3 回火60 min后试验钢的TEM图(a,b)和EDS图谱(c)Fig.3 TEM images(a,b) and EDS spectrum(c) of the tested steel after tempering for 60 min

2.2 回火时间对硬度的影响

对不同回火时间的试验钢中心位置以及距离边部1/4处进行洛氏硬度测定,硬度结果均取3个平行测试点的平均值,结果如表2所示。与淬火态相比,经过回火后,试验钢在中心位置处与距离边部1/4处的硬度均明显降低,这是由于试验钢的组织由碳过饱和的淬火马氏体转变成回火马氏体。随回火时间的延长,试验钢在中心位置处与距离边部1/4处的硬度略有下降,这与基体软化以及微观组织中碳化物析出有关,在550 ℃回火过程中,位错开始持续滑移重组或对消,致使位错密度降低,进而软化基体[12];此外,Mo、V等元素所形成的强碳化物共格弥散析出,钉扎位错,产生弥散强化作用。并且随着回火时间的延长,合金碳化物更加细小,数量更多,成为主要强化相,进而阻止硬度降低,Mo和V的二次硬化峰值温度分别大概在570～580 ℃和600～625 ℃之间[13]。软化与强化相互作用的结果使得硬度随回火时间的延长略有降低,综上所述,在宽回火时间窗口中,试验钢的硬度稳定性高。

表2 不同回火时间下试验钢不同位置处的洛氏硬度(HRC)

2.3 回火时间对拉伸性能的影响

试验钢的拉伸性能随回火时间的变化如图4所示。回火时间在40～80 min内,试验钢的抗拉强度在1081～1120 MPa内波动,屈服强度在993～1013 MPa内波动,断面收缩率在56.0%～56.3%内波动。试验钢的各项性能指标波动幅度均较小,性能稳定性强,并都满足10.9级螺栓钢的力学性能要求。

图4 不同回火时间下试验钢的工程应力-应变曲线(a)及强度(b)Fig.4 Engineering stress-strain curves(a) and strengths(b) of the tested steel tempered for different time

2.4 回火时间对拉伸断口的影响

不同回火时间下试验钢的拉伸断口形貌如图5所示。从宏观形貌中可以看出,在40～80 min回火时间下拉伸断口缩颈明显,均分为明显的中心位置起裂源区、放射状扩展区、边部剪切唇瞬断区。起裂源区微观形貌均为以韧窝为主伴有撕裂棱(如箭头所指)的韧性特征,而在扩展区韧窝变小变浅并伴有撕裂棱及微小的二次裂纹,形成微小的解理刻面。拉伸形貌表现出良好的塑性特征,这与断面收缩率达到56%相对应。随回火时间的延长,拉伸断口相同区域的微观形貌无明显变化,这与试验钢在热处理窗口中微观组织及力学性能稳定性高相对应。

图5 不同回火时间下试验钢的拉伸断口形貌(a～c)宏观形貌;(d～f)起裂源区;(g～i)扩展区;(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 结论

1) 经过870 ℃淬火+550 ℃高温回火后,试验钢为清晰可见的马氏体板条组织,并伴有细小弥散的碳化物析出。

2) 当回火时间为40～80 min时,试验钢的抗拉强度在1081～1120 MPa范围内,屈服强度在993～1013 MPa范围内,断面收缩率在56.0%～56.3%范围内,在宽热处理回火时间窗口内综合力学性能稳定。

3) 当回火时间为40～80 min时,试验钢的拉伸断口均有明显的缩颈现象,起裂源区为细小韧窝伴有撕裂棱的韧性断裂,与断面收缩率达到56%相对应。

4) 在宽热处理窗口回火时间40～80 min下,试验钢的微观组织及综合力学性能稳定,并满足10.9级螺栓钢抗拉强度≥1000 MPa,屈服强度≥900 MPa的要求。