高强度螺栓钢延迟断裂分析.doc

西宁特钢技术资料高强度螺栓钢延迟断裂分析一、高强度螺栓在实际运行中的受力情况及其性能要求螺栓在各种机构中起着连接、紧固、定位、密封等作用。螺栓在安装时需要预先拧紧，因此都需要承受静拉伸载荷。预紧力越大，连接强度和紧固、密封性就越大。除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸（交变）载荷、横向剪切（交变）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷的作用。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。因此，在应用高强度螺栓时，对材料成分、冶金质量、螺栓结构、制造工艺、安装及使用提出了更高的技术要求。一般来讲，高强度螺栓及其用钢应满足以下要求：（1） 高的抗拉强度，以便抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损。（2） 较高的塑性和韧性，以减少对偏斜、缺口应力集中和表面质量的敏感性。（3） 对于在海边、河边、油田等潮湿大气或腐蚀气氛环境下工作的螺栓，要求螺栓材料具有足够低的延迟断裂敏感性，以保证螺栓工作时安全可靠。（4） 对于承受交变载荷和冲击载荷的螺栓，要求具有较高的疲劳抗力和多次冲击拉伸抗力，以抵抗疲劳、多冲断裂。（5） 对于在严寒地区或低温下工作的螺栓，还要求具有低的韧-脆转化温度。（6） 中小直径螺栓往往多采用冷镦成形螺栓头和搓（滚）丝生产工艺，这就要求材料具有良好的冷镦等冷加工工艺性能。二、高强度螺栓钢的延迟断裂及特征钢的回火马氏体组织具有良好的强度和韧性配合，而且还可以通过调整碳和合金元素等添加元素的种类、数量和热处理工艺而控制其强度，因此在合金钢中得到了十分广泛的应用。然而回火马氏体钢在自然环境下易发生延迟断裂，且延迟断裂敏感性随着强度的提高而增大。同时，高强度螺栓属于缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位如杆与头部的过度处或螺纹根部产生延迟断裂。因此，高强度螺栓钢的延迟断裂是一个十分典型的事例，由此造成的事故屡屡发生，经济损失相当惊人。延迟断裂，又称滞后断裂，是在静止应力作用下的材料，经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象。延迟断裂现象是材料-环境-应力相互作用而发生的一种环境脆化，是氢致材质恶化（氢损伤或氢脆）的一种形态。对于氢致延迟断裂，所谓延迟是指恒载荷（或恒位移）条件下，原子氢通过应力诱导扩散富集到临界值需要经过一段时间，故加载后要经过一定时间后氢致裂纹才会形核和扩展。如将原子氢除去后就不会发生延迟断裂，因此氢致延迟断裂属于可逆氢脆。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。它大体上可分为以下两类：（1） 主要是由外部环境侵入的氢（外氢）引起的延迟断裂，如桥梁等使用的螺栓，在潮湿空气、雨水等环境中长期暴露而发生延迟断裂。（2） 酸洗、电镀处理等制造过程中侵入钢中的氢（内氢）引起的延迟断裂，如电镀螺栓等在加载后，经过几小时或几天的较短时间后而发生延迟断裂。实际用钢在自然环境下发生延迟断裂的主要是回火马氏体钢，它一般具有以下特征：（1） 在抗拉强度大于1200MPa、硬度38的强度水平时，延迟断裂的敏感性显著增大；（2） 延迟断裂通常在室温附近发生，但是从室温到100附近，随温度的升高，延迟断裂的敏感性增大；（3） 宏观上，延迟断裂没有伴随有大的塑性变形；（4） 在静载荷下发生；（5） 在较屈服强度低得多的应力下发生；（6） 在发生低温回火脆性的温度350附近回火后，延迟断裂敏感性最大；（7） 受原奥氏体晶界裂纹的支配。三、高强度螺栓钢延迟断裂的主要影响因素高强度螺栓钢延迟断裂的主要影响因素为：1、强度的影响很多研究工作表明，随着高强度螺栓钢抗拉强度的提高，特别是当抗拉强度超过约1200MPa时，延迟断裂强度急剧降低，裂纹扩展速率增大或延迟断裂时间减少。2、碳和常用合金元素的影响碳能明显提高钢的延迟断裂敏感性，特别是对高强钢的影响尤其明显。碳含量的增加会带来钢中组织、结构的变化，它不仅使马氏体中碳的固溶度增大，还强烈地降低钢的Ms点，导致栾晶马氏体的产生，同时还增加晶界碳化物的数量，这是碳增加钢的延迟断裂敏感性的一个主要原因。然而，适量的碳含量是获得所需的高强度所必需的。一般认为，锰能增加高强度钢的延迟断裂敏感性。锰与钢中杂质元素硫相结合，生成MnS夹杂物，氢诱发裂纹往往以MnS为起点而发生延迟断裂。硅对高强度钢延迟断裂抗力的影响较为复杂。一方面，硅能够抑制回火过程中碳化物的析出。在应力腐蚀过程中H+容易在碳化物上获得电子变成原子氢，故加硅可以减少进入试样的氢量。而且，硅能使氢的表现扩散系数明显下降，从而使应力腐蚀裂纹扩展速率下降。研究表明，在1400MPa级的钢中复合添加硅和钙，通过改变晶界结合力和氢扩散行为，可以钢的延迟断裂敏感性。另一方面，同锰元素一样，硅能促进杂质元素的晶界偏聚，这又会增加钢的延迟断裂敏感性。对铬的影响至今仍没有一致的结论。一般认为铬能使氢致延迟断裂敏感性增加，这在铬含量较低时更为明显。然而，也有研究表明，在P、S、Mn含量不变的情况下，铬含量的增加能够抑制沿晶断裂的发生，从而提高钢的延迟断裂抗力。镍为稳定奥氏体元素，能使钢中容易生成较多的残余奥氏体。奥氏体对氢的固溶量大，可以捕集氢而使氢无害化；另外，局部碳含量高的不稳定残余奥氏体在应力的作用下容易转变为马氏体，又会增加延迟断裂敏感性。镍对高强度钢的硫化氢应力腐蚀抗力和氢脆没有影响。研究表明，镍能够在试样表面浓化而抑制氢的侵入，从而提高钢的延迟断裂抗力。必须指出，合金元素对高强度钢延迟断裂抗力的影响比较复杂，在不同类型钢中合金元素的影响是由差别的，因而针对不同情况应作具体的分析。在低合金钢的组成范围内，延迟断裂的倾向主要是由微观组织和环境决定的，合金元素的直接影响是有限的。3、微观组织的影响由于钢的强度水平与钢的微观组织有着密切的关系，因而在一定强度水平下，钢的延迟断裂敏感性总是与某种特定的组织相联系。不同的微观组织具有不同的延迟断裂敏感性。一般来说，奥氏体、珠光体的延迟断裂敏感性比马氏体小，而在珠光体组织中，渗碳体的形状对延迟断裂敏感性有重要影响，含碳高的马氏体组织比含碳低的更容易脆化。在自然环境下发生延迟断裂的主要是回火马氏体钢。当合金成分一定时，热处理是控制微观组织的决定因素。淬火回火钢在300400的温度范围回火时，其耐延迟断裂性能急剧恶化，这是由于低温回火脆性与氢脆现象重叠的结果。一般而言，晶界上析出渗碳体特别是薄膜状渗碳体会使延迟断裂敏感性显著增强。因此，控制原奥氏体晶界碳化物的性质是改善高强钢耐延迟断裂性能的一种重要手段。4、工艺因素的影响高强度螺栓的表面层磷化是引起其延迟断裂的一个重要因素。这是由于在螺栓冷镦成形前的磷化处理会在螺栓表面形成一层不溶性的金属磷酸盐薄层（磷化层）。该层在淬火回火过程中分解，使得磷在钢中扩散而导致螺栓表层磷浓化而降低晶界强度，从而促使延迟断裂的发生。需在螺栓成形后进行表面润滑剂的清除，这会增加成本。因此，伴随着螺栓的高强度化，非磷系润滑膜的开发也在进行中。酸洗、电镀处理时侵入钢中的氢在应力的作用下向应力集中处富集同样会引起高强度螺栓的延迟断裂。对此，对高强度螺栓特别是10.9级及其以上的螺栓需在电镀后4小时内进行脱氢的烘烤处理或者改用危害性较小的达克罗等其他表面处理方式。改善螺纹牙沟的形状可降低应力集中程度，除可改善高强度螺栓的疲劳性能外，还可减少螺纹牙沟处氢的富集和扩散，亦可明显地提高高强度螺栓的延迟断裂抗力。四、1Cr17Ni2及其耐延迟断裂性能的改善措施1Cr17Ni2属于马氏体型不锈钢，新牌号为14Cr17Ni2（GB/T 1220-2007），热处理后具有较高的力学性能，耐蚀性优于12Cr13（1Cr13）和10Cr17（1Cr17），多用于既要求高力学性能的可淬硬性，又要求耐硝酸、有机酸腐蚀的紧固件。其钢棒的热处理制度为：退火，680700高温回火，空冷；试样的热处理制度为：1)淬火,9501050油冷；2)回火，275350空冷。金相组织的组织特征为马氏体型，属于回火马氏体钢，在自然环境下易发生延迟断裂。高强度钢在冶炼、加工及使用过程中经常会有氢进入材料中，进入钢中的氢是极其有害的，即使进入极微量的氢，通过扩散和富集也会引起延迟断裂。对于金属-氢系统，要发生延迟断裂过程，需经过氢的侵入、氢的扩散和富集、氢致裂纹萌生和扩展直至断裂。氢在金属中的扩散和富集，作为氢与金属交互作用的过渡过程，是延迟断裂过程的前提和桥梁。高强度钢的延迟断裂是由侵入钢中的可扩散氢引起的，其断裂特征主要为脆性沿晶断裂。因此，如何提高氢陷阱有效性以降低可扩散氢浓度，并提高晶界强度，变沿晶脆性断裂为穿晶韧性断裂是改善高强度钢耐延迟断裂性能的基本出发点。通过对高强度螺栓钢延迟断裂的分析，在材料冶金方面，改善1Cr17Ni2（14Cr17Ni2）耐延迟断裂性能的主要途径如下：（1） 减少晶界偏析。尽可能降低杂质元素磷含量（磷降低晶界结合强度）、硫含量（硫在腐蚀环境下促进氢的吸收），同时降低促进磷、硫共偏析的锰含量，防止晶界脆化。（2） 细化晶粒。加入Al、Ti、Nb、V等元素，生产弥散析出的碳氮化物以细化奥氏体晶粒，在提高强度的同时，还可以改善韧性。（3） 调整合金元素（如添加镍、降低锰含量）以获得较高的缺口韧性。（4） 使侵入的氢无害化。加入适量的微合金元素V、Ti、Nb等，形成细小的碳氮化物，不但可以细化淬火前奥氏体晶粒，还可以作为氢陷阱，抑制氢的扩散并使氢均匀分布。（5） 通过对炼钢用原辅材料、合金的烘烤