紧固件用非调质钢的抗应力松弛性能

来源:南京工程学院材料工程学院作者:皮锦红

为了研究时效处理对非调钢抗应力松弛能力的影响规律,对冷拔非调质钢MFT8在300℃进行了不同时间的时效处理。结果表明,随着时效时间的延长,铁素体晶内不断析出亚微米级第二相颗粒,使得冷拉拔态非调质钢MFT8的硬度及抗应力松弛性显著提高,且随时效时间的延长,硬度和抗应力松弛性能不断提高,但增幅逐渐降低。在本试验条件下,300℃时效2h后获得了最佳的抗应力松弛性能。

微合金非调质钢(简称非调质钢),是20世纪70年代初期发展起来的一类钢。此类钢是在低碳钢基础上,添加微量的强碳化物形成元素Nb、V、Ti等,并通过控轧控冷结合冷变形强化,使钢在不经过调质处理的情况下,即可得碳素结构钢或合金结构钢经调质热处理后所能达到的力学性能。由于省去了退火、调质工序,此类钢不仅具有节能、环保的优势,在制造细长杆螺栓、螺柱、U型螺丝和螺杆时,还减少了因热处理而造成的变形与开裂,优势更加明显。因而此类钢受到世界各国越来越多的关注。德国大众、美国福特、意大利菲亚特及俄罗斯伏尔加汽车都采用非调质钢来制造曲轴、连杆等零件,日本则有90%以上的曲轴、连杆均采用非调质钢制造。在我国,汽车发动机曲轴、连杆及各类螺栓也大量采用非调质钢制造。

非调质钢生产螺栓的生产流程为:热轧盘棒料→酸洗→冷拔→冷镦→切边→搓丝→时效处理→表面处理→成品。本课题组前期的研究工作表明:时效温度和时效时间对非调质钢的硬度、强度、冲击性能等产生重要的影响,提高时效温度和延长时效时间都能带来不同程度的硬化、强化效果,但时效温度超过300℃以后则出现过时效现象。而作为紧固件的螺栓,抗应力松弛的能力对其使用寿命、使用安全性而言亦极为重要。为了探寻最适合非调质钢的时效工艺,本文对冷拉拔态的非调质钢MFT8在300℃下进行了不同时间的时效处理,并对时效前后的材料抗应力松弛性能进行了检测。

1、试验材料及方法

试验用原材料为9mm的MFT8钢热轧态盘条,用于制作8.8级螺栓标准件,冷拔至为7.14mm,材料成分如表1所示。利用SRJX-2-0箱式电阻炉对冷拔材进行时效处理,时效温度为300℃,时效时间分别为0.5、1、1.5和2h;利用洛氏硬度计(HR-150A)测量试样硬度,每个样测7个点,取平均值;利用场发射透射电子显微镜(TecnaiG2F20S-TWIN)对时效前后的组织进行观察;松弛试样加尺寸及条件如图1所示,

加工好之后利用电子万能试验机(Instron569)对试样进行室温松弛试验,试验标准参照GB/T10120—1996《金属应力松弛实验方法》。应力松弛试验所用初始载荷相同。

表1 MFT8钢的化学成分(质量分数,%)

MFT8钢的化学成分

松弛试样零件图

图1 松弛试样零件图

2、试验结果与分析

随着时效时间的延长,冷拉拔MFT8非调质钢的硬度值变化情况如图2(a)所示,时效前后MFT8非调质钢的应力松弛曲线如图2(b)所示,时效前后MFT8非调质钢的组织变化如图3所示。

由图2(a)可以看出:时效工艺可显著提高冷拔非调钢的硬度,且随着时效时间的延长,冷拔态MFT8钢的硬度不断提高,但增幅不断减小。由图2(b)可以看出:时效前后的MFT8钢的松弛过程均可分为两个阶段:(Ⅰ)初始阶段,应力随时间急剧降低,松弛速率较大,即瞬态松弛;(Ⅱ)应力下降速度逐渐降低,并最终趋于零,即稳态松弛。随着时效时间的延长,MFT8钢的抗应力松弛性能不断改善,应力下降速度更慢,尤其是松弛第一阶段的速度差异更大,而稳态松弛阶段的应力下降速度相差不大;同时,时效处理时间越长的试样,经过相同时间后的剩余应力越大。时效时间较短时,时效后的抗应力松弛性能改善不大,尤其是100h后的剩余应力增加不多。时效时间超过1h后,时效工艺对材料抗应力松弛性能改善显著,瞬态松弛阶段的松弛速率显著降低,松弛100h后的剩余应力显著增大。

冷拔MFT8非调质钢300℃时效不同时间后的硬度变化

图2 冷拔MFT8非调质钢300℃时效不同时间后的硬度变化 (a)及应力松弛 (b)曲线

从图3可以看出:时效前后,MFT8钢的低倍组织形貌及铁素体晶粒大小均没有明显变化,但随着时效时间的延长,碎化铁素体晶内不断析出亚微米级碳(氮)化物颗粒。根据MFT8钢的成分,可以推断出这些颗粒为NbC颗粒。冷拉拔态钢件的松弛过程主要是因为材料内部的内应力分布不均,而导致局部区域内应力远超过外加应力,甚至局部应力超过材料弹性极限而引发材料的塑性变形,即出现应力松弛。而随着时效时间的延长,铁素体内部不断析出的亚微米级NbC颗粒能与材料内的位错发生交互作用。移动的位错遇到NbC颗粒要么绕过,要么在颗粒前塞积,抑或被钉扎,从而使位错移动阻力明显增大。而铁素体晶内析出的NbC颗粒越多,位错移动阻力就越大,材料越不容易发生塑性变形,即抗应力松弛能力越高。同时,大量亚微米级颗粒的析出也可有效阻碍晶界的迁移。但在某一具体的时效温度下,铁素体晶内能够析出的NbC颗粒是有限的,因而随着时间的延长,NbC颗粒的析出增量逐渐减少。因此,即便为了获得较好的抗应力松弛性能,也不需要钢件进行过长时间的时效处理。

冷拔MFT8非调质钢300℃时效不同时间后的显微组织

图3 冷拔MFT8非调质钢300℃时效不同时间后的显微组织

另一方面,在应力松弛试验过程中,外应力方向始终与试样轴向平行,因而材料内部位错的滑移过程必然具有择优取向,位错将在固定的滑移系内逐渐堆积,形成位错墙,材料中的位错越来越稳定。换言之,随着应力松弛的进行,位错越过障碍继续运动所需激活能逐渐升高,因而松弛过程由瞬态松弛阶段过渡到稳态松弛阶段。

3、结论

1)时效处理可显著提高冷拉拔态非调钢MFT8的硬度,且硬度随时效时间的延长不断增大,但增幅逐渐下降;

2)时效处理可提高冷变形材料的抗应力松弛性能,且随时效时间的延长,提高效果越显著,但增幅逐渐降低,这与一定温度条件下铁素体晶内能够析出的亚微米级碳化物颗粒总量一定有关;

3)在本试验条件下,冷拉拔态非调钢MFT8在300℃下时效2h后获得了最佳的抗应力松弛性能。