耐延迟断裂高强度螺栓钢的研究开发
2002-01-11 00:00 来源： 我的钢铁
1 高强度螺栓钢的发展趋势
一般使用的高强度螺栓的强度水平分为8．8、 9．8、10．9和12．9级四个级别，通常为调质处理的中碳钢或中碳合金钢，也有非调质钢、硼钢、F―M双相钢或低碳马氏体钢。
随着汽车、机械、建筑、轻工等各个生产部门的 发展．对制造各类紧固件(如螺栓、螺钉、螺母等)使用的材料提出了更高的要求，如在汽车的高性能化和轻量化、建筑结构的高层化以及大桥的超长化等方面，对作为联接部件的螺栓提出了高设计应力和轻量化的要求．在这方面尤以汽车制造业的要求最强烈，原有的汽车用螺栓，尤其是发动机螺栓已难以
满足汽车发动机高应力化的要求。对此，最有效的措施便是螺栓钢的高强度化。在美国，汽车使用的螺栓强度级别均在9．8级以上：”。目前，一些汽车、建设机械用螺栓甚至要求抗拉强度大于l 400MPa．参见图l：
随着强度的提高，特别是当抗拉强度超过l 200MPa时，延迟断裂就变得十分突出，这是低合金回火马氏体钢高强度化时遇到的一个最主要的问题。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渡处或螺纹根部产生延迟断裂。因此．高强度螺栓的延迟断裂是一个十分典型的事例，例如在日本，以前对抗拉强度超过l：00 MPa的螺栓钢多采取消极回避的办法。在1967年JISB 1186修订中，螺栓级别分为F8T、F10T、F1lT，明确废止F13T级螺栓；1977年以后，即使在正常强度范围内使用的F11T螺栓也发生了延迟断裂事故，因而在1979年的重新修订中建议不使用FllT级螺栓；在1981年，铁道桥则中止使用FlIT级螺栓‘”。80年代初期，美国通用汽车公司由于安装在轿车底部控制架上的两个12．9级螺栓发生延迟断裂，前后发生了27次交通事故，最终在640万辆轿车上更换了这两种螺栓。
近年来，随着需求的增长，国外特别是日本等国家对耐延迟断裂的高强度螺栓钢进行了广泛的研究开发，先后开发出了一系列耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，如住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列等。最近在日本和韩国分别投入巨资重点实施的“超级钢计划’’和“高性能结构钢计划”中，1 500MPa级的高强度螺栓钢的研究开发便是其中的一个重要课题。
2 延迟断裂的特点
延迟断裂是指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。这种现象是材料一环境一应力相互作用而发生的一种环境脆化，是氢导致材质恶化的一种形态。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。
对于前者，一般是由于在长期暴露过程中发生腐蚀，腐蚀坑处腐蚀反应生成的氢侵入而引起的；后者是由于制造过程如酸洗、电镀处理时侵入钢中的氢在应力的作用下向应力集中处集中而引起的。
实际用钢在自然环境下发生延迟断裂的主要是淬火回火的马氏体系钢，它一般具有以下特征：
(1)在抗拉强度大于约l 200MPa、硬度HRC≥33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 C附近，随温度的升高，延迟断裂的敏感性增大(与低温脆性断裂的不同点)；
(3)宏观上，延迟断裂没有伴随有大的塑性变形(与蠕变断裂的不同点)；
(4)在静载荷下(应变速率为零)发生(与疲劳断裂的不同点)；
(5)在比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 C附近回火后，延迟断裂的敏感性最大；
(7)受原奥氏体晶界裂纹的支配。
3 耐延迟断裂高强度螺栓钢的研究开发
3．1 提高耐延迟断裂性能的途径
在材料研究方面，国内外在新钢种开发时通常采取的具体措施如下：
(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A1、Ti、Nb、V等元素，生成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，还可以提高韧性。
(3)提高回火温度。加入抗回火软化能力强的元素如钼、钒等，从而可以在保持强度不变的情况下，提高回火温度使碳化物球化，以避开容易引起晶界脆化的回火温度区域，并可使碳化物细小均匀。
(4)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。
(5)尽可能减少钢表面侵入的氢量，即添加抑制腐蚀坑生成的合金元素，如钼元素。
(6)使侵入的氢无害化。加入适量的微合金元素V、丁i、Nb等，形成细小的碳氮化物除细化淬火前奥氏体晶粒外，还可以作为氢的陷阱，抑制氢的扩散和使氢均匀分布。
此外，由于下贝氏体组织在原奥氏体晶界上没有碳化物析出和有效晶粒尺寸小而具有良好的耐延迟断裂性能。因此，一种途径是通过等温处理获得下贝氏体及适量马氏体、残余奥氏体的复相组织，利用马氏体组织的高强度和贝氏体、奥氏体组织的良好延迟断裂抗力来实现高强度下的良好耐延迟断裂性能。另一种途径是通过形变热处理、磁场、感应热处理等方法细化组织并在奥氏体晶粒内形成大量的碳化物优先形核位置，然后通过合适的回火处理(感应、磁场热处理等)激活晶内的优先形核位置，以促进晶内碳化物的析出和细化，减少甚至消除晶界碳化物，细化马氏体组织，从而获得无晶界或晶界碳化物较少的微细马氏体组织，如此，则不需等温处理就可以实现高强度同时具有良好的耐延迟断裂性能。
3．2 新钢种的研究开发
采用上述措施．已经成功地研究开发出――系列耐延迟断裂性能良好的高强度螺栓钢，如日本住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列、中国钢铁研究总院的ADF系列等。
ADS2和ADS3分别是住友金属工业在80年代后期和90年代中期开发出的耐延迟断裂的新型螺栓钢。对比钢JIS SCM440相比，ADS2和AD3钢的回火抗力明显提高，通过调整回火温度可得到1。200～1 500MPa的强度。阴极充氢恒载荷缺口拉伸试验结果表明，在相同的强度水平下，开发钢的延迟断裂临界应力明显高于JISSCM440：
特别是对于钼含量和钒含量较高的ADS3钢．由于回火温度较高，其耐延迟断裂性能还明显高于ADS2。这是由于对ADS3钢而言，高温回火后碳化物均匀弥散地在晶界、晶内析出，使陷入析出物的氢也均匀分布，因而作为延迟断裂起点传播路路径的晶界间接地得到强化，从而抑制了沿晶断裂。新日铁 神户制钢的Hasegawa等以AISl4340钢为基础，系统地研究了常用合金元素对耐延迟断裂性能的影响。对16炉钢延迟断裂试验结果的回归分析表明，与其他常用合金元素(C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni)相比，钛能十分有效地提高钢的延迟断裂抗力，并在此基础上开发出KNDS系列耐延迟断裂性能良好的高强度螺栓钢。与常用的JIS SCM440钢相比，KNDS钢的延迟断裂抗力有明显改善。KNDS2适用于l 200MPa级的凹头螺栓，已批量生产，KNDS3和KNDS4可用于1。300～l 500MPa级的高强度汽车螺栓。
大同特殊钢开发的一种DSB系列高强度螺栓钢中的磷、硫含量分别降低到0．015％和0．005％以下，同时降低硅和锰含量，并加入钒和提高钼含量，以使其高温回火时析出二次硬化的碳化物。经580 C高温回火后，抗拉强度可达1400MPa
以上。弯曲加速型延迟断裂试验和螺栓实物试验均证明其耐延迟断裂性能良好，JIS中的强韧钢(SCM435、440等)只有在l 200MPa的强度级别下才能达到这样的水平。其原因是回火温度升高使原奥氏体晶界上析出的渗碳体球化，晶界对延迟断裂的敏感性降低；析出的二次碳化物与母相非共格，增加了氢的吸附位置(氢陷阱)。这种高强度钢已实际用于l 00MPa级的连杆螺栓。
最近，钢铁研究总院在42CrMo钢的基础上，通过降低硫、磷、硅、锰含量，添加微合金元素V、Nb并增加钼含量，成功地开发出一种l 300MPa级的高强度螺栓钢ADFl，其耐延迟断裂性能较
现在的高强度螺栓几乎全部采用回火马氏体钢，这类钢对延迟断裂的敏感性较大。一些研究发现，具有下贝氏体组织的钢较回火马氏体钢的延迟断裂抗力要好，但下贝氏体组织的一个明显缺点是屈强比偏低。神户。新研制的一种具有贝氏体组织的螺栓钢在比较低的温度(300―375 C)恒温处理得到贝氏体组织。这种钢即使在l 500MPa以上的强度水平下其耐延迟断裂性能仍大幅度提高，远远超过回火马氏体高强度钢。韩国浦项则采用高硅中高碳钢，在试验室通过等温处理获得75％贝氏体÷25％残余奥氏体的相组织，在l 750MPa的强度水平下呈现出良好的耐延迟断裂性能。目前，正计划试生产螺栓以便在实际环境中进行进一步考核。
随着冷锻技术的发展，对冷锻螺栓钢的需求明显增加，为此开发了低成本的低碳高强度硼钢。其成分设计的基本原则是降低碳含量，改善钢的冷变形能力，加入微量硼以弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失。另外根据需要还可加入适量Cr、Mn等合金元素，进一步提高淬透性。如大同特殊钢最近开发出一种耐延迟断裂的低碳硼钢。由于降低了杂质元素磷、硫含量和添加铌细化了晶粒，因而新开发的硼钢在1000～1300MPa的强度范围内的耐延迟断裂性能相当于或优于SCM435钢。该钢已应用于10．9级的汽车螺栓。新日铁：新近开发出的FIRST钢与此类似。
4 结语
随着螺栓高强度化的迫切需求，十多年来国外特别是日本等国家对耐延迟断裂的高强度螺栓钢进行了广泛的研究，先后开发出了一系列耐延迟断裂的高强度螺栓钢。但应当指出的是，多年来由于没有统一的评价延迟断裂性能的实验方法，各个公司和研究机构均采用各自的方法进行实验，并以此对材质进行相对比较，缺乏互比性。所以，缺乏统一的延迟断裂实验方法就成为耐延迟断裂高强度螺栓钢实用化的最大障碍。因此，探讨科学的耐延迟断裂性能评价方法是研究开发耐延迟断裂高强度螺栓钢的关键环节之一。
一般使用的高强度螺栓的强度水平分为8．8、 9．8、10．9和12．9级四个级别，通常为调质处理的中碳钢或中碳合金钢，也有非调质钢、硼钢、F―M双相钢或低碳马氏体钢。
随着汽车、机械、建筑、轻工等各个生产部门的 发展．对制造各类紧固件(如螺栓、螺钉、螺母等)使用的材料提出了更高的要求，如在汽车的高性能化和轻量化、建筑结构的高层化以及大桥的超长化等方面，对作为联接部件的螺栓提出了高设计应力和轻量化的要求．在这方面尤以汽车制造业的要求最强烈，原有的汽车用螺栓，尤其是发动机螺栓已难以
满足汽车发动机高应力化的要求。对此，最有效的措施便是螺栓钢的高强度化。在美国，汽车使用的螺栓强度级别均在9．8级以上：”。目前，一些汽车、建设机械用螺栓甚至要求抗拉强度大于l 400MPa．参见图l：
随着强度的提高，特别是当抗拉强度超过l 200MPa时，延迟断裂就变得十分突出，这是低合金回火马氏体钢高强度化时遇到的一个最主要的问题。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渡处或螺纹根部产生延迟断裂。因此．高强度螺栓的延迟断裂是一个十分典型的事例，例如在日本，以前对抗拉强度超过l：00 MPa的螺栓钢多采取消极回避的办法。在1967年JISB 1186修订中，螺栓级别分为F8T、F10T、F1lT，明确废止F13T级螺栓；1977年以后，即使在正常强度范围内使用的F11T螺栓也发生了延迟断裂事故，因而在1979年的重新修订中建议不使用FllT级螺栓；在1981年，铁道桥则中止使用FlIT级螺栓‘”。80年代初期，美国通用汽车公司由于安装在轿车底部控制架上的两个12．9级螺栓发生延迟断裂，前后发生了27次交通事故，最终在640万辆轿车上更换了这两种螺栓。
近年来，随着需求的增长，国外特别是日本等国家对耐延迟断裂的高强度螺栓钢进行了广泛的研究开发，先后开发出了一系列耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，如住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列等。最近在日本和韩国分别投入巨资重点实施的“超级钢计划’’和“高性能结构钢计划”中，1 500MPa级的高强度螺栓钢的研究开发便是其中的一个重要课题。
2 延迟断裂的特点
延迟断裂是指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。这种现象是材料一环境一应力相互作用而发生的一种环境脆化，是氢导致材质恶化的一种形态。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。
对于前者，一般是由于在长期暴露过程中发生腐蚀，腐蚀坑处腐蚀反应生成的氢侵入而引起的；后者是由于制造过程如酸洗、电镀处理时侵入钢中的氢在应力的作用下向应力集中处集中而引起的。
实际用钢在自然环境下发生延迟断裂的主要是淬火回火的马氏体系钢，它一般具有以下特征：
(1)在抗拉强度大于约l 200MPa、硬度HRC≥33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 C附近，随温度的升高，延迟断裂的敏感性增大(与低温脆性断裂的不同点)；
(3)宏观上，延迟断裂没有伴随有大的塑性变形(与蠕变断裂的不同点)；
(4)在静载荷下(应变速率为零)发生(与疲劳断裂的不同点)；
(5)在比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 C附近回火后，延迟断裂的敏感性最大；
(7)受原奥氏体晶界裂纹的支配。
3 耐延迟断裂高强度螺栓钢的研究开发
3．1 提高耐延迟断裂性能的途径
在材料研究方面，国内外在新钢种开发时通常采取的具体措施如下：
(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A1、Ti、Nb、V等元素，生成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，还可以提高韧性。
(3)提高回火温度。加入抗回火软化能力强的元素如钼、钒等，从而可以在保持强度不变的情况下，提高回火温度使碳化物球化，以避开容易引起晶界脆化的回火温度区域，并可使碳化物细小均匀。
(4)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。
(5)尽可能减少钢表面侵入的氢量，即添加抑制腐蚀坑生成的合金元素，如钼元素。
(6)使侵入的氢无害化。加入适量的微合金元素V、丁i、Nb等，形成细小的碳氮化物除细化淬火前奥氏体晶粒外，还可以作为氢的陷阱，抑制氢的扩散和使氢均匀分布。
此外，由于下贝氏体组织在原奥氏体晶界上没有碳化物析出和有效晶粒尺寸小而具有良好的耐延迟断裂性能。因此，一种途径是通过等温处理获得下贝氏体及适量马氏体、残余奥氏体的复相组织，利用马氏体组织的高强度和贝氏体、奥氏体组织的良好延迟断裂抗力来实现高强度下的良好耐延迟断裂性能。另一种途径是通过形变热处理、磁场、感应热处理等方法细化组织并在奥氏体晶粒内形成大量的碳化物优先形核位置，然后通过合适的回火处理(感应、磁场热处理等)激活晶内的优先形核位置，以促进晶内碳化物的析出和细化，减少甚至消除晶界碳化物，细化马氏体组织，从而获得无晶界或晶界碳化物较少的微细马氏体组织，如此，则不需等温处理就可以实现高强度同时具有良好的耐延迟断裂性能。
3．2 新钢种的研究开发
采用上述措施．已经成功地研究开发出――系列耐延迟断裂性能良好的高强度螺栓钢，如日本住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列、中国钢铁研究总院的ADF系列等。
ADS2和ADS3分别是住友金属工业在80年代后期和90年代中期开发出的耐延迟断裂的新型螺栓钢。对比钢JIS SCM440相比，ADS2和AD3钢的回火抗力明显提高，通过调整回火温度可得到1。200～1 500MPa的强度。阴极充氢恒载荷缺口拉伸试验结果表明，在相同的强度水平下，开发钢的延迟断裂临界应力明显高于JISSCM440：
特别是对于钼含量和钒含量较高的ADS3钢．由于回火温度较高，其耐延迟断裂性能还明显高于ADS2。这是由于对ADS3钢而言，高温回火后碳化物均匀弥散地在晶界、晶内析出，使陷入析出物的氢也均匀分布，因而作为延迟断裂起点传播路路径的晶界间接地得到强化，从而抑制了沿晶断裂。新日铁 神户制钢的Hasegawa等以AISl4340钢为基础，系统地研究了常用合金元素对耐延迟断裂性能的影响。对16炉钢延迟断裂试验结果的回归分析表明，与其他常用合金元素(C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni)相比，钛能十分有效地提高钢的延迟断裂抗力，并在此基础上开发出KNDS系列耐延迟断裂性能良好的高强度螺栓钢。与常用的JIS SCM440钢相比，KNDS钢的延迟断裂抗力有明显改善。KNDS2适用于l 200MPa级的凹头螺栓，已批量生产，KNDS3和KNDS4可用于1。300～l 500MPa级的高强度汽车螺栓。
大同特殊钢开发的一种DSB系列高强度螺栓钢中的磷、硫含量分别降低到0．015％和0．005％以下，同时降低硅和锰含量，并加入钒和提高钼含量，以使其高温回火时析出二次硬化的碳化物。经580 C高温回火后，抗拉强度可达1400MPa
以上。弯曲加速型延迟断裂试验和螺栓实物试验均证明其耐延迟断裂性能良好，JIS中的强韧钢(SCM435、440等)只有在l 200MPa的强度级别下才能达到这样的水平。其原因是回火温度升高使原奥氏体晶界上析出的渗碳体球化，晶界对延迟断裂的敏感性降低；析出的二次碳化物与母相非共格，增加了氢的吸附位置(氢陷阱)。这种高强度钢已实际用于l 00MPa级的连杆螺栓。
最近，钢铁研究总院在42CrMo钢的基础上，通过降低硫、磷、硅、锰含量，添加微合金元素V、Nb并增加钼含量，成功地开发出一种l 300MPa级的高强度螺栓钢ADFl，其耐延迟断裂性能较
现在的高强度螺栓几乎全部采用回火马氏体钢，这类钢对延迟断裂的敏感性较大。一些研究发现，具有下贝氏体组织的钢较回火马氏体钢的延迟断裂抗力要好，但下贝氏体组织的一个明显缺点是屈强比偏低。神户。新研制的一种具有贝氏体组织的螺栓钢在比较低的温度(300―375 C)恒温处理得到贝氏体组织。这种钢即使在l 500MPa以上的强度水平下其耐延迟断裂性能仍大幅度提高，远远超过回火马氏体高强度钢。韩国浦项则采用高硅中高碳钢，在试验室通过等温处理获得75％贝氏体÷25％残余奥氏体的相组织，在l 750MPa的强度水平下呈现出良好的耐延迟断裂性能。目前，正计划试生产螺栓以便在实际环境中进行进一步考核。
随着冷锻技术的发展，对冷锻螺栓钢的需求明显增加，为此开发了低成本的低碳高强度硼钢。其成分设计的基本原则是降低碳含量，改善钢的冷变形能力，加入微量硼以弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失。另外根据需要还可加入适量Cr、Mn等合金元素，进一步提高淬透性。如大同特殊钢最近开发出一种耐延迟断裂的低碳硼钢。由于降低了杂质元素磷、硫含量和添加铌细化了晶粒，因而新开发的硼钢在1000～1300MPa的强度范围内的耐延迟断裂性能相当于或优于SCM435钢。该钢已应用于10．9级的汽车螺栓。新日铁：新近开发出的FIRST钢与此类似。
4 结语
随着螺栓高强度化的迫切需求，十多年来国外特别是日本等国家对耐延迟断裂的高强度螺栓钢进行了广泛的研究，先后开发出了一系列耐延迟断裂的高强度螺栓钢。但应当指出的是，多年来由于没有统一的评价延迟断裂性能的实验方法，各个公司和研究机构均采用各自的方法进行实验，并以此对材质进行相对比较，缺乏互比性。所以，缺乏统一的延迟断裂实验方法就成为耐延迟断裂高强度螺栓钢实用化的最大障碍。因此，探讨科学的耐延迟断裂性能评价方法是研究开发耐延迟断裂高强度螺栓钢的关键环节之一。
