高強度螺栓鋼延遲斷裂分析

1、高強度螺栓鋼延遲斷裂分析一、高強度螺栓在實際運行中的受力情況及其性能要求螺栓在各種機構(gòu)中起著連接、緊固、定位、密封等作用。螺栓在安裝時需要 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， 通常還會在工作過程中受到附加的 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引起螺栓 的松動，軸向交變載荷會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 載荷則會引起螺栓的延遲斷裂。因此，在應(yīng)用高強度螺栓時，對材料成分、冶金 質(zhì)量、螺栓結(jié)構(gòu)、制造工藝

2、、安裝及使用提出了更高的技術(shù)要求。一般來講，高 強度螺栓及其用鋼應(yīng)滿足以下要求：(1)高的抗拉強度，以便抵抗拉長、拉斷、滑扣和磨損。(2)較高的塑性和韌性，以減少對偏斜、缺口應(yīng)力集中和表面質(zhì)量的敏感 性。(3)對于在海邊、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，以保證螺栓工作時安全可靠。(4)對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鍛成形螺栓頭和搓(滾)絲生產(chǎn)工藝，這 就要求材料具有良好

3、的冷鍛等冷加工工藝性能。二、高強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度和韌性配合， 而且還可以通過調(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度的提高而增大。 同時，高強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度處或螺紋根部產(chǎn)生延遲 斷裂。因此，高強度螺栓鋼的延遲斷裂是一個十分典型的事例，由此造成的事故屢屢發(fā)生，經(jīng)濟損失相當(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)過一定時間后突 然脆性破壞的一種

4、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，原子氫通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴散富集到臨界 值需要經(jīng)過一段時間，故加載后要經(jīng)過一定時間后氫致裂紋才會形核和擴展。如將原子氫除去后就不會發(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)象是妨礙機械制造用鋼高強度化的一個主要因素。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)境中長期暴露而發(fā)生延遲斷裂。(2)酸洗、電鍍處理等制造過程中侵入鋼中的氫(內(nèi)氫)引起的延遲

5、斷裂， 如電鍍螺栓等在加載后，經(jīng)過幾小時或幾天的較短時間后而發(fā)生延遲斷裂。實際用鋼在自然環(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)在抗拉強度大于1200MPa、硬度38的強度水平時，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、高強度螺栓鋼延遲斷裂的主要影響因素高強度螺栓鋼延遲斷

6、裂的主要影響因素為：1、強度的影響很多研究工作表明，隨著高強度螺栓鋼抗拉強度的提高，特別是當(dāng)抗拉強度 超過約1200MPa時，延遲斷裂強度急劇降低，裂紋擴展速率增大或延遲斷裂時 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， 特別是對高強鋼的影響尤其明顯。 碳含 量的增加會帶來鋼中組織、結(jié)構(gòu)的變化，它不僅使馬氏體中碳的固溶度增大， 還 強烈地降低鋼的Ms點，導(dǎo)致欒晶馬氏體的產(chǎn)生，同時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主要原因。然而，適量的碳含量是獲得所 需的高強度所必需的。一般認(rèn)為，銳能增加高強度鋼的延遲斷裂敏感性。 鈕與鋼中雜質(zhì)元素硫相結(jié) 合，生

7、成MnS夾雜物，氫誘發(fā)裂紋往往以 MnS為起點而發(fā)生延遲斷裂。硅對高強度鋼延遲斷裂抗力的影響較為復(fù)雜。 一方面，硅能夠抑制回火過程 中e碳化物的析出。在應(yīng)力腐蝕過程中 H+容易在e碳化物上獲得電子變成原子 氫，故加硅可以減少進入試樣的氫量。而且，硅能使氫的表現(xiàn)擴散系數(shù)明顯下降， 從而使應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率下降。研究表明，在1400MPa級的鋼中復(fù)合添加硅和鈣，通過改變晶界結(jié)合力和氫擴散行為， 可以鋼的延遲斷裂敏感性。另一方 面，同鈕元素一樣，硅能促進雜質(zhì)元素的晶界偏聚， 這又會增加鋼的延遲斷裂敏 感性。對銘的影響至今仍沒有一致的結(jié)論。一般認(rèn)為銘能使氫致延遲斷裂敏感性增 加，這在銘含量較低時更為

8、明顯。然而，也有研究表明，在 P、S、Mn含量不變 的情況下，銘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。鍥為穩(wěn)定奧氏體元素，能使鋼中容易生成較多的殘余奧氏體。 奧氏體對氫的 固溶量大，可以捕集氫而使氫無害化；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， 又會增加延遲斷裂敏感性。鍥對高強度鋼的 硫化氫應(yīng)力腐蝕抗力和氫脆沒有影響。研究表明，鍥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，合金元素對高強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，因而針對不同情況應(yīng)作具體的分析。 在低合金 鋼的組成

9、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度水平與鋼的微觀組織有著密切的關(guān)系，因而在一定強度水平下，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。一般來說，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，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， 其耐延遲斷裂性能急劇惡化，這是由于低溫回火脆性與

10、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使延遲斷裂敏感性顯著增強。 因此，控制原奧氏體晶界碳化物的性質(zhì)是改善高強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度螺栓的表面層磷化是引起其延遲斷裂的一個重要因素。這是由于在螺栓冷鍛成形前的磷化處理會在螺栓表面形成一層不溶性的金屬磷酸鹽薄層(磷化層)。該層在淬火回火過程中分解，使得磷在鋼中擴散而導(dǎo)致螺栓表層磷濃化而 降低晶界強度，從而促使延遲斷裂的發(fā)生。需在螺栓成形后進行表面潤滑劑的清 除，這會增加成本。因此，伴隨著螺栓的高強度化，非磷系潤滑膜的開發(fā)也在進 行中。酸洗、電鍍處理時侵入鋼中的氫在應(yīng)力的作用下向應(yīng)力集

11、中處富集同樣會引 起高強度螺栓的延遲斷裂。對此，對高強度螺栓特別是10.9級及其以上的螺栓需在電鍍后4小時內(nèi)進行脫氫的烘烤處理或者改用危害性較小的達克羅等其他 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，除可改善高強度螺栓的疲勞性能 外，還可減少螺紋牙溝處氫的富集和擴散， 亦可明顯地提高高強度螺栓的延遲斷 裂抗力。四、1CU7Ni2及其耐延遲斷裂性能的改善措施1CU7Ni2屬于馬氏體型不銹鋼，新牌號為 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12CU3 (1CU3)和10Cr17(1Cr17), 多用于既要求高力學(xué)性能的可淬硬性，

12、又要求耐硝酸、有機酸腐蝕的緊固件。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。高強度鋼在冶煉、加工及使用過程中經(jīng)常會有氫進入材料中， 進入鋼中的氫 是極其有害的，即使進入極微量的氫，通過擴散和富集也會引起延遲斷裂。 對于 金屬-氫系統(tǒng)，要發(fā)生延遲斷裂過程，需經(jīng)過氫的侵入、氫的擴散和富集、氫致 裂紋萌生和擴展直至斷裂。氫在金屬中的擴散和富集，作為氫與金屬交互作用的 過渡過程，是延遲斷裂過程的前提和橋梁。高強度鋼的

13、延遲斷裂是由侵入鋼中的 可擴散氫引起的，具斷裂特征主要為脆性沿晶斷裂。 因此，如何提高氫陷阱有效 性以降低可擴散氫濃度，并提高晶界強度，變沿晶脆性斷裂為穿晶韌性斷裂是改 善高強度鋼耐延遲斷裂性能的基本出發(fā)點。通過對高強度螺栓鋼延遲斷裂的分析，在材料冶金方面，改善1CU7Ni2(14CU7Ni2)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)合強度) 、 硫含量(硫在腐蝕環(huán)境下促進氫的吸收)，同時降低促進磷、硫共偏析的鈕含量， 防止晶界脆化。(2)細化晶粒。加入Al、Ti、Nb、V等元素，生產(chǎn)彌散析出的碳氮化物以 細化奧氏體晶粒，在提高強度的同時，還可以改善韌性。(3)調(diào)整合金元素(如添加鍥、降低鈕含量)以獲得較高的缺口韌性。(4)使侵入的氫無害化。加入適量的微合金元素 V、Ti、Nb等，形成細小 的碳氮化物，不但可以細化淬火前奧氏體晶粒， 還可以作為氫陷阱，抑制氫的擴 散并使氫均勻分布。(5)通過對煉鋼用原輔材料、合金的