高強(qiáng)度螺栓鋼延遲斷裂分析

1、西寧特鋼技術(shù)資料高強(qiáng)度螺栓鋼延遲斷裂分析一、高強(qiáng)度螺栓在實(shí)際運(yùn)行中的受力情況及其性能要求螺栓在各種機(jī)構(gòu)中起著連接、緊固、定位、密封等作用。螺栓在安裝時(shí)需要 預(yù)先擰緊，因此都需要承受靜拉伸載荷。預(yù)緊力越大，連接強(qiáng)度和緊固、密封性 就越大。除受到軸向預(yù)緊拉伸載荷的作用外， 通常還會(huì)在工作過(guò)程中受到附加的 軸向拉伸（交變）載荷、橫向剪切（交變）載荷或由此復(fù)合而成的彎曲載荷的作 用，有時(shí)還受到?jīng)_擊載荷的作用。通常情況下，附加的橫向交變載荷會(huì)引起螺栓 的松動(dòng)，軸向交變載荷會(huì)引起螺栓的疲勞斷裂， 而在環(huán)境介質(zhì)的作用下軸向拉伸 載荷則會(huì)引起螺栓的延遲斷裂。因此，在應(yīng)用高強(qiáng)度螺栓時(shí)，對(duì)材料成分、冶金 質(zhì)量、螺

2、栓結(jié)構(gòu)、制造工藝、安裝及使用提出了更高的技術(shù)要求。一般來(lái)講，高 強(qiáng)度螺栓及其用鋼應(yīng)滿足以下要求：（1）高的抗拉強(qiáng)度，以便抵抗拉長(zhǎng)、拉斷、滑扣和磨損。（2）較高的塑性和韌性，以減少對(duì)偏斜、缺口應(yīng)力集中和表面質(zhì)量的敏感 性。（3）對(duì)于在海邊、河邊、油田等潮濕大氣或腐蝕氣氛環(huán)境下工作的螺栓， 要求螺栓材料具有足夠低的延遲斷裂敏感性，以保證螺栓工作時(shí)安全可靠。（4）對(duì)于承受交變載荷和沖擊載荷的螺栓，要求具有較高的疲勞抗力和多 次沖擊拉伸抗力，以抵抗疲勞、多沖斷裂。（5）對(duì)于在嚴(yán)寒地區(qū)或低溫下工作的螺栓，還要求具有低的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。（6）中小直徑螺栓往往多采用冷鐓成形螺栓頭和搓（滾）絲生產(chǎn)工藝，這 就

3、要求材料具有良好的冷鐓等冷加工工藝性能。二、高強(qiáng)度螺栓鋼的延遲斷裂及特征鋼的回火馬氏體組織具有良好的強(qiáng)度和韌性配合， 而且還可以通過(guò)調(diào)整碳和 合金元素等添加元素的種類、數(shù)量和熱處理工藝而控制其強(qiáng)度，因此在合金鋼中 得到了十分廣泛的應(yīng)用。然而回火馬氏體鋼在自然環(huán)境下易發(fā)生延遲斷裂， 且延 遲斷裂敏感性隨著強(qiáng)度的提高而增大。 同時(shí)，高強(qiáng)度螺栓屬于缺口零件，具有很 高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位如桿與頭部的過(guò)度處或螺紋根部產(chǎn)生延遲 斷裂。因此，高強(qiáng)度螺栓鋼的延遲斷裂是一個(gè)十分典型的事例，由此造成的事故屢屢發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)驚人。延遲斷裂，又稱滯后斷裂，是在靜止應(yīng)力作用下的材料，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后突

4、然脆性破壞的一種現(xiàn)象。延遲斷裂現(xiàn)象是材料-環(huán)境-應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種 環(huán)境脆化，是氫致材質(zhì)惡化(氫損傷或氫脆)的一種形態(tài)。對(duì)于氫致延遲斷裂， 所謂延遲是指恒載荷(或恒位移)條件下，原子氫通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散富集到臨界 值需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，故加載后要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后氫致裂紋才會(huì)形核和擴(kuò)展。如將原子氫除去后就不會(huì)發(fā)生延遲斷裂，因此氫致延遲斷裂屬于可逆氫脆。延遲斷裂現(xiàn)象是妨礙機(jī)械制造用鋼高強(qiáng)度化的一個(gè)主要因素。它大體上可分為以下兩類：(1) 主要是由外部環(huán)境侵入的氫(外氫)引起的延遲斷裂，如橋梁等使用 的螺栓，在潮濕空氣、雨水等環(huán)境中長(zhǎng)期暴露而發(fā)生延遲斷裂。(2) 酸洗、電鍍處理等制造過(guò)程中侵入鋼中的

5、氫(內(nèi)氫)弓I起的延遲斷裂， 如電鍍螺栓等在加載后，經(jīng)過(guò)幾小時(shí)或幾天的較短時(shí)間后而發(fā)生延遲斷裂。實(shí)際用鋼在自然環(huán)境下發(fā)生延遲斷裂的主要是回火馬氏體鋼，它一般具有以下特征：(1) 在抗拉強(qiáng)度大于1200MPa、硬度38的強(qiáng)度水平時(shí)，延遲斷裂的敏感 性顯著增大；(2) 延遲斷裂通常在室溫附近發(fā)生， 但是從室溫到100C附近，隨溫度的升 高，延遲斷裂的敏感性增大；(3) 宏觀上，延遲斷裂沒(méi)有伴隨有大的塑性變形；(4) 在靜載荷下發(fā)生；(5) 在較屈服強(qiáng)度低得多的應(yīng)力下發(fā)生；(6) 在發(fā)生低溫回火脆性的溫度350C附近回火后，延遲斷裂敏感性最大；(7) 受原奧氏體晶界裂紋的支配。三、高強(qiáng)度螺栓鋼延遲斷

6、裂的主要影響因素高強(qiáng)度螺栓鋼延遲斷裂的主要影響因素為：1、強(qiáng)度的影響很多研究工作表明，隨著高強(qiáng)度螺栓鋼抗拉強(qiáng)度的提高，特別是當(dāng)抗拉強(qiáng)度 超過(guò)約1200MPa時(shí)，延遲斷裂強(qiáng)度急劇降低，裂紋擴(kuò)展速率增大或延遲斷裂時(shí) 間減少。2、碳和常用合金元素的影響碳能明顯提高鋼的延遲斷裂敏感性， 特別是對(duì)高強(qiáng)鋼的影響尤其明顯。 碳含 量的增加會(huì)帶來(lái)鋼中組織、結(jié)構(gòu)的變化，它不僅使馬氏體中碳的固溶度增大， 還 強(qiáng)烈地降低鋼的Ms點(diǎn)，導(dǎo)致欒晶馬氏體的產(chǎn)生，同時(shí)還增加晶界碳化物的數(shù)量， 這是碳增加鋼的延遲斷裂敏感性的一個(gè)主要原因。然而，適量的碳含量是獲得所 需的高強(qiáng)度所必需的。一般認(rèn)為，錳能增加高強(qiáng)度鋼的延遲斷裂敏感性

7、。 錳與鋼中雜質(zhì)元素硫相結(jié) 合，生成MnS夾雜物，氫誘發(fā)裂紋往往以 MnS為起點(diǎn)而發(fā)生延遲斷裂。硅對(duì)高強(qiáng)度鋼延遲斷裂抗力的影響較為復(fù)雜。 一方面，硅能夠抑制回火過(guò)程 中£碳化物的析出。在應(yīng)力腐蝕過(guò)程中 H+容易在£碳化物上獲得電子變成原子 氫，故加硅可以減少進(jìn)入試樣的氫量。而且，硅能使氫的表現(xiàn)擴(kuò)散系數(shù)明顯下降， 從而使應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率下降。研究表明，在 1400MPa級(jí)的鋼中復(fù)合添加 硅和鈣，通過(guò)改變晶界結(jié)合力和氫擴(kuò)散行為， 可以鋼的延遲斷裂敏感性。另一方 面，同錳元素一樣，硅能促進(jìn)雜質(zhì)元素的晶界偏聚， 這又會(huì)增加鋼的延遲斷裂敏 感性。對(duì)鉻的影響至今仍沒(méi)有一致的結(jié)論。一

8、般認(rèn)為鉻能使氫致延遲斷裂敏感性增 加，這在鉻含量較低時(shí)更為明顯。然而，也有研究表明，在P、S、Mn含量不變的情況下，鉻含量的增加能夠抑制沿晶斷裂的發(fā)生，從而提高鋼的延遲斷裂抗力。鎳為穩(wěn)定奧氏體元素，能使鋼中容易生成較多的殘余奧氏體。 奧氏體對(duì)氫的 固溶量大，可以捕集氫而使氫無(wú)害化；另外，局部碳含量高的不穩(wěn)定殘余奧氏體 在應(yīng)力的作用下容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體， 又會(huì)增加延遲斷裂敏感性。鎳對(duì)高強(qiáng)度鋼的 硫化氫應(yīng)力腐蝕抗力和氫脆沒(méi)有影響。研究表明，鎳能夠在試樣表面濃化而抑制 氫的侵入，從而提高鋼的延遲斷裂抗力。必須指出，合金元素對(duì)高強(qiáng)度鋼延遲斷裂抗力的影響比較復(fù)雜， 在不同類型 鋼中合金元素的影響是由差別的

9、，因而針對(duì)不同情況應(yīng)作具體的分析。在低合金 鋼的組成范圍內(nèi)，延遲斷裂的傾向主要是由微觀組織和環(huán)境決定的， 合金元素的 直接影響是有限的。3、微觀組織的影響由于鋼的強(qiáng)度水平與鋼的微觀組織有著密切的關(guān)系，因而在一定強(qiáng)度水平下，鋼的延遲斷裂敏感性總是與某種特定的組織相聯(lián)系。不同的微觀組織具有不同的延遲斷裂敏感性。一般來(lái)說(shuō)，奧氏體、珠光體的延遲斷裂敏感性比馬氏體小， 而在珠光體組織中，滲碳體的形狀對(duì)延遲斷裂敏感性有重要影響，含碳高的馬氏體組織比含碳低的更容易脆化。在自然環(huán)境下發(fā)生延遲斷裂的主要是回火馬氏體鋼。當(dāng)合金成分一定時(shí)，熱處理是控制微觀組織的決定因素。 淬火回火鋼在300400C的溫度范圍回火時(shí)

10、， 其耐延遲斷裂性能急劇惡化，這是由于低溫回火脆性與氫脆現(xiàn)象重疊的結(jié)果。一 般而言，晶界上析出滲碳體特別是薄膜狀滲碳體會(huì)使延遲斷裂敏感性顯著增強(qiáng)。 因此，控制原奧氏體晶界碳化物的性質(zhì)是改善高強(qiáng)鋼耐延遲斷裂性能的一種重要 手段。4、工藝因素的影響高強(qiáng)度螺栓的表面層磷化是引起其延遲斷裂的一個(gè)重要因素。這是由于在螺 栓冷鐓成形前的磷化處理會(huì)在螺栓表面形成一層不溶性的金屬磷酸鹽薄層(磷化層)。該層在淬火回火過(guò)程中分解，使得磷在鋼中擴(kuò)散而導(dǎo)致螺栓表層磷濃化而 降低晶界強(qiáng)度，從而促使延遲斷裂的發(fā)生。需在螺栓成形后進(jìn)行表面潤(rùn)滑劑的清 除，這會(huì)增加成本。因此，伴隨著螺栓的高強(qiáng)度化，非磷系潤(rùn)滑膜的開(kāi)發(fā)也在進(jìn) 行

11、中。酸洗、電鍍處理時(shí)侵入鋼中的氫在應(yīng)力的作用下向應(yīng)力集中處富集同樣會(huì)引 起高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂。對(duì)此，對(duì)高強(qiáng)度螺栓特別是10.9級(jí)及其以上的螺栓需在電鍍后4小時(shí)內(nèi)進(jìn)行脫氫的烘烤處理或者改用危害性較小的達(dá)克羅等其他 表面處理方式。改善螺紋牙溝的形狀可降低應(yīng)力集中程度，除可改善高強(qiáng)度螺栓的疲勞性能 外，還可減少螺紋牙溝處氫的富集和擴(kuò)散， 亦可明顯地提高高強(qiáng)度螺栓的延遲斷 裂抗力。四、1Cr17Ni2及其耐延遲斷裂性能的改善措施1Cr17Ni2屬于馬氏體型不銹鋼，新牌號(hào)為 14Cr17Ni2 (GB/T 1220-2007 )， 熱處理后具有較高的力學(xué)性能，耐蝕性優(yōu)于12Cr13( 1Cr13)和1

12、0Cr17( 1Cr17)， 多用于既要求高力學(xué)性能的可淬硬性，又要求耐硝酸、有機(jī)酸腐蝕的緊固件。其 鋼棒的熱處理制度為：退火， 680700 C高溫回火，空冷；試樣的熱處理制度為：1）淬火，9501050 C油冷；2）回火，275350 C空冷。金相組織的組織特征為馬氏體型，屬于回火馬氏體鋼，在自然環(huán)境下易發(fā)生延遲斷 裂。高強(qiáng)度鋼在冶煉、加工及使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)有氫進(jìn)入材料中， 進(jìn)入鋼中的氫 是極其有害的，即使進(jìn)入極微量的氫，通過(guò)擴(kuò)散和富集也會(huì)引起延遲斷裂。 對(duì)于 金屬-氫系統(tǒng)，要發(fā)生延遲斷裂過(guò)程，需經(jīng)過(guò)氫的侵入、氫的擴(kuò)散和富集、氫致 裂紋萌生和擴(kuò)展直至斷裂。氫在金屬中的擴(kuò)散和富集，作為氫與金

13、屬交互作用的 過(guò)渡過(guò)程，是延遲斷裂過(guò)程的前提和橋梁。高強(qiáng)度鋼的延遲斷裂是由侵入鋼中的 可擴(kuò)散氫引起的，其斷裂特征主要為脆性沿晶斷裂。 因此，如何提高氫陷阱有效 性以降低可擴(kuò)散氫濃度，并提高晶界強(qiáng)度，變沿晶脆性斷裂為穿晶韌性斷裂是改 善高強(qiáng)度鋼耐延遲斷裂性能的基本出發(fā)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度螺栓鋼延遲斷裂的分析，在材料冶金方面，改善1Cr17Ni2（14Cr17Ni2）耐延遲斷裂性能的主要途徑如下：（1） 減少晶界偏析。盡可能降低雜質(zhì)元素磷含量（磷降低晶界結(jié)合強(qiáng)度） 、 硫含量（硫在腐蝕環(huán)境下促進(jìn)氫的吸收），同時(shí)降低促進(jìn)磷、硫共偏析的錳含量， 防止晶界脆化。（2） 細(xì)化晶粒。加入Al、Ti、Nb、V等元素，生產(chǎn)彌散析出的碳氮化物以 細(xì)化奧氏體晶粒，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，還可以改善韌性。（3） 調(diào)整合金元素（如添加鎳、降低錳含量）以獲得較高的缺口韌性。（4） 使侵入的氫無(wú)害化。加入適量的微合金元素 V、Ti、Nb等，形成細(xì)小 的碳氮化物，不但可以細(xì)化淬火前奧氏體晶粒， 還可以作為氫陷阱，抑制氫的擴(kuò) 散并使氫均勻分布。（5）通過(guò)對(duì)煉鋼用原輔材料、合金的