脈沖電流處理高強(qiáng)度螺栓鋼抗延遲斷裂性能的研究

韓忠良,侯建新,彭白星,董　越,馬亞南,趙宇光（吉林大學(xué)　,　長(zhǎng)春　130022）

脈沖電流處理高強(qiáng)度螺栓鋼抗延遲斷裂性能的研究

韓忠良,侯建新,彭白星,董越,馬亞南,趙宇光
（吉林大學(xué),長(zhǎng)春130022）

摘要：電脈沖加熱處理提高螺栓強(qiáng)度是20世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，由于瞬間輸入高密度脈沖電流，其產(chǎn)生的獨(dú)特現(xiàn)象如電致塑性、電遷移、納米晶粒生成等已引起學(xué)者們的關(guān)注。本文以SCM435高強(qiáng)度螺栓成品件為研究對(duì)象，致力于研究高能脈沖電流對(duì)其組織和性能的影響。通過(guò)進(jìn)行不同的加熱時(shí)間和回火方式實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)220ms是最佳加熱時(shí)間，430℃箱式爐中保溫4h和80ms脈沖電流處理為兩種回火方式的最佳參數(shù)，力學(xué)性能最佳且晶粒達(dá)到最細(xì)化。在延遲斷裂實(shí)驗(yàn)中，脈沖電流回火較箱式爐回火試樣延遲斷裂時(shí)間更長(zhǎng)，且其延遲斷裂性能均優(yōu)于原始樣。

關(guān)鍵詞：脈沖電流；高強(qiáng)度螺栓；SCM435；顯微組織；延遲斷裂

1　研究背景

電脈沖處理技術(shù)是近些年來(lái)逐步被采用的新型材料組織性能改性技術(shù)，對(duì)材料瞬間通以高能脈沖電流其產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)、電子遷移、電子風(fēng)和電致塑性交互作用使得材料產(chǎn)生微觀組織性能的變化進(jìn)而改善了材料的使用性能。本文是以脈沖電流處理為手段，材質(zhì)是SCM 435的高強(qiáng)度螺栓為研究對(duì)象，采用瞬時(shí)高能量的強(qiáng)脈沖電流處理來(lái)改善SCM 435螺栓的顯微組織和力學(xué)性能，在水冷條件下，比較不同的加熱參數(shù)，不同的回火方式，不同的回火溫度對(duì)材料的組織的影響。使用自制的延遲斷裂實(shí)驗(yàn)器材分析處理后的試樣和初始狀態(tài)的試樣的延遲斷裂性能，并探討瞬時(shí)高能量強(qiáng)脈沖電流作用下SCM 435鋼中發(fā)生的一系列瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，研究不同工藝參數(shù)下的脈沖電流處理對(duì)SCM 435鋼組織性能的影響規(guī)律，為提高螺栓的使用壽命提供新的理論依據(jù)和實(shí)用技術(shù)[1]。

2　實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)材料為12.9級(jí)，全牙，內(nèi)六角，長(zhǎng)度85.88mm，直徑為6.00mm的高強(qiáng)度螺栓成品件。材質(zhì)是SCM 435，國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)牌號(hào)35CrMo，初始狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)。

2.2延遲斷裂實(shí)驗(yàn)

自制的延遲斷裂裝置，兩塊厚的鋼板選材Q235，為保證螺栓加載時(shí)螺母不陷入鋼板，選用與12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓配套使用的高強(qiáng)度螺母，上面墊上自制的墊片。載荷采用扭力扳手對(duì)螺栓進(jìn)行加載，每次都加載到相同的預(yù)緊力，這個(gè)預(yù)緊力是通過(guò)材料斷裂時(shí)承受的載荷與安全系數(shù)之比求得的。試樣中間開(kāi)一個(gè)溝槽，浸泡在Walpole緩蝕液（醋酸鈉+鹽酸+去離子水或蒸餾水）中，對(duì)每組試樣延遲斷裂時(shí)間取平均值，以代表延遲斷裂性能。

3　電脈沖處理后的微觀組織與性能

最佳加熱工藝參數(shù)的確定。為了尋找最合適的脈沖電流作用時(shí)間，我們首先需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)找出最佳的電脈沖處理參數(shù)，而腐蝕不同條件作用下的原奧氏體晶界則可以找出最佳參數(shù)。本節(jié)最關(guān)鍵的是找出最佳的作用時(shí)間。取出三個(gè)試樣，默認(rèn)觸發(fā)電壓為5V，分別通以tp=220ms，tp=240ms，tp=260ms的脈沖電流，通電完成后立即噴水冷卻，使紅熱的試樣瞬間冷卻至室溫，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。用線切割機(jī)切取淬火部分，并進(jìn)行砂紙打磨、拋光。用過(guò)飽和苦味酸水溶液腐蝕原奧氏體晶界。

可以看到經(jīng)過(guò)脈沖電流處理，當(dāng)周波數(shù)逐級(jí)增大時(shí)，試樣的原奧氏體晶粒也是逐級(jí)增大，當(dāng)周波數(shù)小于10次即200m s時(shí)，由于溫度不足試樣奧氏體化不完全。當(dāng)達(dá)到11周波即作用時(shí)間為220m s時(shí)如下圖（a），試樣的奧氏體晶粒最細(xì)，是優(yōu)化的工藝參數(shù)；而12周波即作用時(shí)間為240m s時(shí)如下圖（b），奧氏體晶粒已經(jīng)開(kāi)始長(zhǎng)大，這顯然是作用的時(shí)間的延長(zhǎng)結(jié)果導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。而13周波時(shí)即作用時(shí)間為260m s時(shí)如下圖（c）可以看到晶粒長(zhǎng)大非常明顯。

在水冷條件下不同脈沖時(shí)間處理后的的試樣，隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，淬火馬氏體的硬度減小。當(dāng)作用時(shí)間小于220m s時(shí)，由于輸入能量不足，導(dǎo)致淬火后殘余奧氏體的數(shù)量多，這降低了材料的硬度。而當(dāng)作用時(shí)間大于220ms時(shí)，由于溫度過(guò)高使得奧氏體晶粒長(zhǎng)大，淬火后形成了粗大的馬氏體組織，而作用時(shí)間愈長(zhǎng)，這種現(xiàn)象就越明顯，所以材料的硬度在下降。而220ms的作用時(shí)間是在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下尋找到的最佳工藝參數(shù)。

4　不同處理狀態(tài)的螺栓延遲斷裂性能的研究

本實(shí)驗(yàn)采用恒載荷延遲斷裂試驗(yàn)，在自制的實(shí)驗(yàn)裝置上，對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行延遲斷裂試驗(yàn)，為了防止加載過(guò)程中螺紋脫扣，必須使用與螺紋配套的高強(qiáng)度螺母，而板料使用Q 235鋼，螺母上放一塊厚的墊片，以保證螺栓的預(yù)緊時(shí)螺栓能被拉伸。預(yù)緊載荷用扭力扳手加載，每次都加載到同一載荷，以保證各個(gè)螺栓的初始狀態(tài)均相同，中間浸泡PH=2.5的Walpole緩蝕液（醋酸鈉+鹽酸+去離子水或蒸餾水），用攝像頭來(lái)記錄螺栓的斷裂時(shí)間。

取三組試樣，分別是在力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中每組中性能最為突出的220ms淬火態(tài)并經(jīng)過(guò)430℃回火保溫4h的試樣1-4、經(jīng)過(guò)220ms淬火態(tài)并經(jīng)過(guò)80m s電脈沖回火的試樣5-8和原始的調(diào)質(zhì)態(tài)試樣9-12，每組4個(gè)，使用扭力扳手加載到20N.m，每隔12h重新預(yù)緊一次，并補(bǔ)充腐蝕液的劑量，以保證其PH穩(wěn)定，觀察螺栓的延遲斷裂時(shí)間。

4.1電脈沖淬火、箱式爐回火的延遲斷裂實(shí)驗(yàn)

由表1經(jīng)過(guò)延遲斷裂實(shí)驗(yàn)可以看出，經(jīng)過(guò)220ms電脈沖加熱淬火后的試樣在箱式爐中加熱到430℃，并保溫4個(gè)小時(shí)，它們的延遲斷裂時(shí)間普遍在100小時(shí)以內(nèi)，經(jīng)過(guò)計(jì)算其平均值為85小時(shí)，螺栓的延遲斷裂主要是腐蝕液中滲入的氫引起的脆斷。

表1　箱式爐回火后的延遲斷裂試驗(yàn)結(jié)果

12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓在220m s淬火+430℃回火工藝下呈現(xiàn)明顯的沿晶斷裂，沿晶斷裂是高強(qiáng)度鋼在應(yīng)力腐蝕或氫環(huán)境中最為常見(jiàn)的斷裂方式，在較高強(qiáng)度水平下，高強(qiáng)度鋼延遲斷裂初期裂紋往往沿原奧氏體晶界萌生和擴(kuò)展，而經(jīng)過(guò)上述工藝處理的螺栓的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa左右，顯然延遲斷裂抗力與沿晶斷裂傾向密切相關(guān)，隨著沿晶斷裂傾向的減小，延遲斷裂抗力顯著上升，因而強(qiáng)化晶界、抑制沿晶界斷裂是提高高強(qiáng)度鋼延遲斷裂抗力的重要途徑之一。但是，并不是奧氏體晶粒越細(xì)延遲斷裂性能就越好，對(duì)于這方面的研究眾說(shuō)紛紜仍處于爭(zhēng)議當(dāng)中。由于淬火后都經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)4h的回火工藝，組織有足夠的時(shí)間穩(wěn)定并均勻化，所以上述工藝處理的試樣在延遲斷裂傾向上與原始試樣相差不大。長(zhǎng)達(dá)4h的回火處理使得整個(gè)螺栓的組織均勻，而強(qiáng)度降低，位錯(cuò)密度升高，碳化物的聚集狀態(tài)改變，這些都使得其延遲斷裂性能減弱，從力學(xué)性能上也可以看出，經(jīng)過(guò)爐回火的試樣延伸率更高。

4.2 電脈沖淬火、電脈沖回火的延遲斷裂實(shí)驗(yàn)

由結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)220m s電脈沖淬火后的試樣延遲斷裂斷口仍然是沿晶斷裂，斷口處有少量韌窩，韌性好于之前的試樣。這種螺栓的抗延遲斷裂性能顯著提高，實(shí)驗(yàn)中試樣8經(jīng)過(guò)148小時(shí)仍沒(méi)有出現(xiàn)斷裂，而斷裂的三根也是所有斷裂的樣品當(dāng)中時(shí)間最久的，分別是119小時(shí)和125小時(shí)以及137小時(shí)。螺栓的這種抗延遲斷裂性能顯然與其獨(dú)特的脈沖電流回火方式有關(guān)，作者認(rèn)為是脈沖電流的瞬間輸入引起了螺栓內(nèi)部的應(yīng)力結(jié)構(gòu)變化，使得滲氫條件發(fā)生改變，即電流使P、S等雜質(zhì)元素在晶界上的偏聚狀態(tài)發(fā)生改變導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼在應(yīng)力腐蝕及其含氫環(huán)境中發(fā)生沿晶斷裂，提高了斷裂抗力。

表2　電脈沖回火后的延遲斷裂試驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)論

本文采用瞬時(shí)高能量脈沖電流對(duì)SCM 435高強(qiáng)度螺栓鋼進(jìn)行改性處理，分別進(jìn)行了處理參數(shù)的優(yōu)化，研究了脈沖電流處理淬火態(tài)的奧氏體晶粒大小，研究了脈沖電流淬火、回火這種新型便捷的工藝，并比較了傳統(tǒng)箱式爐回火和電脈沖回火的性能差異，通過(guò)這些探討了SCM 435高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)韌化機(jī)制，歸納得到如下結(jié)論：

（1）在SCM 435螺栓脈沖電流處理過(guò)程中，隨著加熱作用時(shí)間的延長(zhǎng)，淬火態(tài)的螺栓的晶粒逐漸細(xì)化，力學(xué)性能逐漸變好，但是超過(guò)最優(yōu)化處理參數(shù)后，由于溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒的顯著長(zhǎng)大，其相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度、硬度都會(huì)下降。尋找到最佳加熱參數(shù)為tp=220ms。

（2）經(jīng)過(guò)220ms加熱淬火后的螺栓，再經(jīng)過(guò)不同溫度回火處理之后，馬氏體均發(fā)生不同程度的分解，出現(xiàn)回火馬氏體組織，回火屈氏體組織以及回火索氏體組織。經(jīng)過(guò)430℃回火保溫4小時(shí)的試樣，抗拉強(qiáng)度為1462MPa，延伸率為9.2%，而經(jīng)過(guò)480℃回火的試樣，抗拉強(qiáng)度雖略有下降為1440MPa，但塑性卻最好，延伸率達(dá)到了10.6%，經(jīng)過(guò)530℃回火的試樣，抗拉強(qiáng)度為1423MPa，延伸率為9.0%，三種工藝均高于傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)態(tài)的樣品，原始樣的相應(yīng)數(shù)據(jù)為1281MPa和8.5%。

（3）經(jīng)過(guò)220ms加熱淬火后的螺栓，經(jīng)過(guò)不同參數(shù)的電脈沖回火處理后，隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度降低，塑性提高，但塑性均低于箱式爐回火的樣品，這是由于脈沖作用時(shí)間過(guò)短，馬氏體分解不徹底。經(jīng)過(guò)40ms回火后，樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1610MPa，延伸率僅為3.7%，經(jīng)過(guò)60ms回火后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1581MPa，延伸率為4.2%，而經(jīng)過(guò)80m s的處理，延伸率為6.0%，抗拉強(qiáng)度為1517MPa。三種工藝的強(qiáng)度均高于原始的調(diào)質(zhì)態(tài)，但塑性顯然都因強(qiáng)度的提高而大幅受損。

（4）在兩組處理后的樣品中，選取力學(xué)性能最好的220ms+430℃*4h工藝以及220ms+80ms的每組4個(gè)試樣，在自制延遲斷裂設(shè)備上做延遲斷裂實(shí)驗(yàn)，浸泡在Walpole緩蝕液（醋酸鈉+鹽酸+去離子水或蒸餾水）中，發(fā)現(xiàn)原始樣和保溫4h的工藝由于最終處理都是長(zhǎng)時(shí)間的高溫回火保溫，且時(shí)間較長(zhǎng)，兩組的延遲斷裂時(shí)間相差不多，一組為79.5h，一組為85h。但是，經(jīng)過(guò)電脈沖回火后，抗延遲斷裂的能力明顯提高，這是由于力學(xué)性能的提高導(dǎo)致延遲斷裂時(shí)的臨界應(yīng)力值得到提高，而在同一預(yù)緊力水平下，由于沒(méi)有達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致延遲斷裂傾向降低。而晶粒的細(xì)化在其中也顯然起到了一定作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊清.脈沖電流對(duì)GCr15鋼組織及性能的影響[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2013.