12.9級(jí)高強(qiáng)度耐候螺栓鋼的抗氫致延遲斷裂性能

張歡歡 朱思遠(yuǎn) 王 倩 王青峰 顧曉勇 張 瑞 楊照軍

（1.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.中鐵山橋集團(tuán)，河北秦皇島 066205；3.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035；4.安徽長(zhǎng)江緊固件有限責(zé)任公司，安徽六安 237000）

高強(qiáng)度螺栓作為基礎(chǔ)零部件，被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑及汽車等鋼結(jié)構(gòu)，且由于具有承載力高、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程連接中的主要手段。近年來，隨著建筑、橋梁等強(qiáng)度水平的要求不斷提高，螺栓的強(qiáng)度及服役條件也越來越高［1-3］。螺栓強(qiáng)度等級(jí)提高帶來高承載效益的同時(shí)，氫致延遲斷裂的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大，尤其是當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過1 200 MPa時(shí)，材料的氫敏感性尤為突出［4-6］。

氫致延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于材料內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中位置擴(kuò)散、聚集，材料在靜載下經(jīng)過一定時(shí)間后突然脆性破壞。這種現(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，是氫導(dǎo)致材質(zhì)惡化的一種形態(tài)［7-8］。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。

目前大部分鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度螺栓都采用回火處理，以實(shí)現(xiàn)更好的強(qiáng)韌性匹配，同時(shí)降低鋼的氫致開裂敏感性；并通過調(diào)整含碳量和合金元素的種類及含量，以及調(diào)整熱處理工藝，以獲得高強(qiáng)度抗氫致延遲斷裂耐候螺栓。然而，氫致延遲斷裂問題依然突出。惠衛(wèi)軍等［9-11］在42CrMo鋼的基礎(chǔ)上添加Ti、V等微合金元素并改善熱處理工藝以提高材料的抗氫致延遲斷裂性能。劉昌奎等［12］研究發(fā)現(xiàn)，30CrMnSiA螺栓在其材質(zhì)氫含量?jī)H1×10-6條件下就發(fā)生了氫致脆性斷裂，斷裂原因并非由于氫含量過高，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礎(chǔ)上，對(duì)自主研發(fā)的12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓鋼進(jìn)行氫滲透及恒載荷延遲斷裂試驗(yàn)，以探究回火溫度對(duì)其氫擴(kuò)散及抗氫致延遲斷裂性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為自行設(shè)計(jì)、研制的12.9級(jí)高強(qiáng)度耐候螺栓鋼。由中鐵山橋集團(tuán)高強(qiáng)度緊固器材有限公司提供試制M30螺栓鋼熱軋棒材，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 12.9級(jí)耐候螺栓鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of 12.9 grade weathering bolt steel（mass fraction） %

1.2 熱處理

對(duì)試棒進(jìn)行淬火、回火處理。淬火溫度為900℃，保溫時(shí)間為40 min，為防止淬火變形開裂，冷卻介質(zhì)采用植物油?；鼗饻囟确謩e為500、550、600 ℃，保溫時(shí)間為90 min，空冷。

1.3 氫滲透試驗(yàn)

從熱處理后的試棒上切取氫滲透試樣，尺寸為60 mm ×30 mm ×0.8 mm，表面粗糙度為0.8。參照ASTM G148—1997《用電子化學(xué)技術(shù)對(duì)金屬中氫攝取、滲透和傳遞率評(píng)定規(guī)程》，采用Devanathan-Stachurski雙電解池電化學(xué)氫滲透法進(jìn)行擴(kuò)散氫／滲透氫試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)得的氫滲透曲線確定氫擴(kuò)散系數(shù)D0及可擴(kuò)散氫濃度C0。將D0及C0作為表征氫脆傾向的參量，分析熱處理工藝對(duì)螺栓實(shí)物氫脆傾向的影響。

氫擴(kuò)散系數(shù)D0計(jì)算公式為：

式中：D0為氫擴(kuò)散系數(shù)，cm2／s；L為試樣厚度，cm；tL為滯后時(shí)間，定義為陽(yáng)極瞬時(shí)電流密度達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流密度的0.63倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，s。

可擴(kuò)散氫濃度C0計(jì)算公式為：

式中：C0為可擴(kuò)散氫濃度，mol／cm3；i∞為穩(wěn)態(tài)陽(yáng)極電流密度，mA／cm2；L為試樣厚度，cm；F 為法拉第常數(shù)，96 485 C／mol；D0為氫擴(kuò)散系數(shù)，cm2／s。

1.4 恒載荷延遲斷裂試驗(yàn)

從不同淬、回火態(tài)的棒材上切取恒載荷缺口拉伸試樣，尺寸如圖1所示。參照ISO／FDIS 16573：2014（E）《高強(qiáng)鋼抗氫致延遲斷裂性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》，在RDL-YF（50 kN）型恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.005 mm／min，加載至0.8倍缺口拉伸強(qiáng)度，采用試樣斷裂時(shí)間表征其抗氫致延遲斷裂性能。拉伸試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 恒載荷缺口拉伸試驗(yàn)條件Table 2 Constant-load notched tensile test conditions

圖1 恒載荷缺口拉伸試樣Fig.1 Constant-load notched tensile specimen

1.5 顯微組織觀察

取回火態(tài)試樣經(jīng)研磨拋光后，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在日立S-3400N型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）上進(jìn)行觀察。用鹽酸+六次甲基四胺緩蝕劑對(duì)恒載荷延遲斷裂試樣進(jìn)行酸洗除銹，采用SEM觀察其斷口形貌。薄膜試樣經(jīng)機(jī)械預(yù)減薄后再雙噴電解減薄，在JEM-2100F型透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）上進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

表3為試驗(yàn)鋼經(jīng)900℃淬火和不同溫度回火后的力學(xué)性能，都滿足12.9級(jí)螺栓材料的力學(xué)性能要求。此外，隨著回火溫度的升高，鋼的強(qiáng)度逐漸下降，且溫度每提高50℃，強(qiáng)度下降30～40 MPa。

表3 試驗(yàn)鋼經(jīng)900℃淬火和不同溫度回火后的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the tested steel quenched from 900℃ and tempered at different temperatures

2.2 顯微組織

圖2為試驗(yàn)鋼經(jīng)900℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織，均為回火馬氏體，其板條形態(tài)清晰可見，組織無明顯差異；晶內(nèi)存在不同取向的馬氏體Packet結(jié)構(gòu)，部分Packet結(jié)構(gòu)隨回火溫度升高逐漸融合消減。

圖2 試驗(yàn)鋼經(jīng)900℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織Fig.2 Microstructures of the tested steel quenched from 900 ℃ and tempered at different temperatures

2.3 抗延遲斷裂性能

表4為在不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的缺口抗拉強(qiáng)度及斷裂時(shí)間。由表4可知，隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的缺口抗拉強(qiáng)度逐漸降低，斷裂時(shí)間顯著延長(zhǎng)且均大于100 h，說明抗氫致延遲斷裂性能明顯提高。

表4 在不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的缺口抗拉強(qiáng)度及延遲斷裂時(shí)間Table 4 Notch tensile strength and delayed fracture time of the tested steel tempered at different temperatures

2.4 氫滲透行為

圖3為在不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的氫滲透曲線。表5為根據(jù)氫滲透曲線計(jì)算的氫擴(kuò)散系數(shù)D0和可擴(kuò)散氫濃度C0。隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)D0增大，可擴(kuò)散氫濃度C0略微增加。

表5 不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)和可擴(kuò)散氫濃度Table 5 Hydrogen diffusion coefficients and diffusible hydrogen concentration of the tested steel tempered at different temperatures

圖3 不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的氫滲透曲線Fig.3 Hydrogen permeability curves of the tested steel tempered at different temperatures

一般認(rèn)為，氫擴(kuò)散系數(shù)越大，表明氫原子在試樣中擴(kuò)散越容易，氫原子不易在試樣內(nèi)部聚集，試樣的氫致開裂敏感性越?。粴鋽U(kuò)散系數(shù)小，表明氫原子在試樣中擴(kuò)散困難，氫原子容易在試樣內(nèi)部缺陷處聚集，當(dāng)氫原子聚集到一定濃度時(shí)，產(chǎn)生足夠大的氫壓，發(fā)生開裂。

2.5 斷口形貌

圖4為在不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的延遲斷裂斷口SEM形貌。隨著回火溫度的升高，起裂區(qū)比例顯著減??；裂紋擴(kuò)展區(qū)均呈現(xiàn)出解理與韌窩混合斷裂特征，且隨著回火溫度的升高，解理部分明顯減少，600℃回火的鋼幾乎為韌窩斷裂，即回火溫度的升高能夠降低試驗(yàn)鋼的氫致開裂敏感性。

圖4 不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的延遲斷裂斷口SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of the delayed fracture of the tested steel tempered at different temperatures

2.6 碳化物

圖5為在不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的TEM形貌，均為馬氏體板條結(jié)構(gòu)，且板條邊界析出了大量片狀碳化物，板條內(nèi)存在球狀碳化物；隨著回火溫度的升高，馬氏體板條邊界逐漸模糊，析出相尺寸及數(shù)量顯著增加。析出相能消除第二回火脆性，使試驗(yàn)鋼獲得良好的強(qiáng)韌性，同時(shí)還可作為氫陷阱捕獲可擴(kuò)散氫，降低氫的危害。

圖5 不同溫度回火的試驗(yàn)鋼的TEM形貌Fig.5 TEM micrographs of the tested steel tempered at different temperatures

3 結(jié)論

（1）隨著回火溫度的升高，氫擴(kuò)散系數(shù)D0增大，可擴(kuò)散氫濃度C0略微增加。

（2）隨著回火溫度的升高，抗氫致延遲斷裂性能明顯提高，起裂區(qū)比例明顯減小，600℃回火的鋼幾乎為韌窩形態(tài)。

（3）隨著回火溫度的升高，馬氏體板條邊界逐漸模糊，析出相的數(shù)量明顯增加，析出相可作為氫的強(qiáng)陷阱捕獲可擴(kuò)散氫。