1、硕 士 专 业 学 位 论 文 开 题 报 告Nb、 Ni 元素对高强度螺栓钢延迟断裂行为的影响(Effect of Nb and Ni on Delayed Fracture Behavior of High Strength Bolt Steel)2018 年 12 月北京交通大学北京交通大学目 录1 选题研究背景和意义 .11.1 高强度螺栓发展概况 .11.2 高强度螺栓钢的现状和发展动向 .21.2.1 洁净螺栓钢 .21.2.2 高强度螺栓用微合金非调质钢 .31.2.3 高强度螺栓用硼钢 .42 高强度钢的延迟断裂行为 .52.1 延迟断裂的基本概念和特征 .52.2 氢和高强度
2、钢的延迟断裂行为 .82.3 氢陷阱 .82.4 引起延迟断裂的氢 .102.5 延迟断裂的主要影响因素 .102.5.1 钢中化学成分的影响 .102.5.2 微观组织的影响 .112.5.3 工艺因素的影响 .112.5.4 提高耐延迟断裂性能的途径 .122.6 影响延迟断裂的主要几个力学参量 .123 微合金化元素 Nb 在高强度钢中的作用及应用情况 .143.1 Nb 元素在高强度钢中的作用机制 .143.2 含 Nb 高强度钢的研究及应用情况 .174 合金元素 Ni 在高强度钢中的作用及应用情况 .184.1 Ni 元素在高强度钢中的作用机制 .184.2 Ni 元素对高强度钢延
3、迟断裂行为的研究情况 .194.3 含 Ni 高强度钢的研究及应用情况 .195 本论文研究思路及内容 .215.1 研究目的和内容 .215.2 研究方案 .215.3 进度安排 .24参考文献 .25北京交通大学第 0 页1. 选题研究背景和意义众所周知，紧固件在各类机械构件中起到的作用主要是联接、定位以及密封等作用，是一种用途极为广泛的机械基础零部件。其中螺栓在各类紧固件中用量最大，并且是机器制造中大量使用的基础类零件。随着工业水平的不断提升，要求各类机械设备以及土木建设设备向大型化发展，同时也不断地提升相关设备的功率、转速，所以螺栓类零部件的相关工作条件变得越来越苛刻，其承受的工作应力
4、也有显著地提升，所以对螺栓用钢材提出了不断高强度化的要求，尤其是由于螺栓是机械结构件中的小尺寸部件，因而往往要承担很大的应力。因此，螺栓是高强度化要求很高的部件 1-3。根据强度的不同，螺栓可以分为普通螺栓和高强度螺栓。高强度螺栓与普通螺栓相比较它的主要优点是：可承载能力高、受力性好、耐疲劳、不松动、安全性高、可拆换等优点。根据 GB/T 3098.1-2000紧固件机械性能-螺栓、螺钉和螺柱的规定，普通螺栓一般为 4.4 级、4.8 级、5.6 级和 8.8 级；而高强度螺栓钢的强度水平可以分为 8.8 级、9.8 级、10.9 级和 12.9 级等 4 个级别。各级别螺栓的力学性能见表 1
5、-13-5。一般所采用的材料为中碳钢与中碳合金钢，成品紧固件需要进行淬火+ 高温回火的调质处理。正是由于高强度螺栓的有着如此之多的优点，很多发达国家近年来都在针对高强度螺栓钢与高强度螺栓的性能进行大量的研究 3-12。表 1-1 高强度螺栓的力学性能指标 3-5 螺栓等级8.8力学性能M16 mm M16 mm 9.8 10.9 12.9公称抗拉强度(MPa) 800980 830980 9001080 10401180 12201380断面收缩率(%) 52 48 48 44冲击吸收功(J) 30 25 20 15洛氏硬度(HRC) 2232 2334 2837 3239 39441.1 高
6、强度螺栓发展概况鉴于高强度螺栓所具有的诸多优势，几十年来的应用范围不断扩大，应用量不断增加。美国是世界上率先大规模采用高强度螺栓的国家之一。美国于北京交通大学第 1 页1938年就在桥梁维修中首次采用了高强度螺栓。同时，美国也在 1947 年成立了“铆钉连接和螺栓连接委员会”，该委员会在 1951 年制订了高强度连接施工规范，后来又做出了部分修改，并将一系列抗拉强度不同的螺栓归入到标准之中。日本早在 1954 年开始研究高强度螺栓，制定了一系列的相关标准和规范；在20 世纪 70 年代初，在日本的施工工地大规模地使用高强度螺栓，用来代替铆钉连接，并有着良好的表现 11。我国目前的高强度螺栓连接
7、技术相较国外技术而言起步明显较晚，但是最近几年发展势头迅猛。1968 年南京长江大桥的纵横梁就是采用的高强度螺栓材料 40B 钢。20 世纪 80 年代建设的宝钢一期工程，现场安装的连接件全部都是采用高强度螺栓，总用量高达 200 万套 3,6,7。而进入 21 世纪之后，随着国家经济建设的飞速发展，机械、航空航天、土木工程等各个领域也相应的得到了迅速发展，因此对作为紧固件、连接件的螺栓提出了轻型化和承受更高的设计应力能力的要求。而为了满足这样的要求，最可能的措施就是推进螺栓强度进一步朝着高强度的方向发展。因此世界各国均先后开始了 12.9 级以及更高强度的螺栓用钢研发 3,7。日本、韩国和我
8、国分别投入巨资重点开发的“ 超级钢计划 ”、“高性能结构钢计划”和“ 新一代钢铁材料的重大基础研究” 中 1500MPa 级的高强度螺栓钢的研究开发均是其中的一个重要课题 7。1.2 高强度螺栓钢的现状和发展动向1.2.1 洁净螺栓钢钢中杂质元素不仅影响钢的力学性能，还通常恶化钢的冷镦性，因而不断降低钢中杂质元素含量，提高钢的洁净度水平是高强度螺栓钢的一个重要发展趋势。硫元素在通常情况下对钢来说是有害元素，会对钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时容易造成裂纹。所以降低硫元素的在钢中的含量将会明显的改善钢的变形能力。磷元素会增加钢的冷脆性，使得焊接性能变坏，同时降低钢的塑性。所以把
9、磷元素在钢中含量减少会有效地使得钢的变形抗力得到减少。同时，减少磷和硫元素在钢中的含量可以减少钢水在结晶过程中出现的偏析情况的发生，降低了钢的晶界脆化现象，从而减少了钢的组织北京交通大学第 2 页疏松和裂纹的倾向。在炼钢的过程中，少量的炉渣、耐火材料以及冶炼材料反应产物会进入钢液，形成非金属夹杂物，而其中硫和磷元素在钢中所产生的非金属夹杂物占有相当的比重，所以减少硫与磷元素的含量，可以显著降低钢中所含有的非金属夹杂物数量，从而提高钢的韧性和塑性 6。在机械制造领域广泛采用的 45 号钢是中碳调质结构钢，这种钢具有较好的强度和切削加工性能。通常标准中要求 45 号钢中所含的硫元素的含量是0.03
10、5 %，从图 1-1 中可以明显看到，硫元素的含量对 45 号钢产生裂纹时钢铁材料的临界变形量有着较大的影响 3,6。这就是因为钢材中所含有的磷、硫生成的夹杂物使得裂纹产生并且扩展，因此，减少钢中硫元素的含量能有效降低这种不利的倾向。尤其是硫元素在钢中的含量低至 0.002%时，效果最好。因此降低硫、磷元素在钢中的含量，可以有效降低 45 号钢出现裂纹时的临界变形量，获得更为优异的力学性能和工艺性能。图 1-1 硫元素的含量和试样尺寸对出现裂纹时临界变形量的影响 3,61.2.2 高强度螺栓用微合金非调质钢微合金非调质钢是资源节约型材料，当今它愈发受人们的重视，采用非调质钢替代耗电耗能的调质钢
11、制造高强度螺栓、锻件等汽车零部件是汽车工业发北京交通大学第 3 页展的一个重要趋势。非调质钢的强化机理与调质钢的强化机理有着明显的区别。调质钢是将经过轧、锻工艺处理之后的钢材再加热到奥氏体化温度并淬火之后，然后经过高温回火工艺之后从而获得所需的组织和性能，调质处理之后的组织一般是铁素体基体上分布极细的颗粒状碳化物。而微合金非调质钢是在轧制/锻造温度之下，使钢中的钒、铌、钛等微合金化元素的碳氮化合物充分地溶入到奥氏体组织之中，随后通过控制轧制与锻制、控温冷却，在钢中的铁素体和珠光体组织中析出弥散分布的碳氮化物作为析出强化相，从而使得在轧制、锻制之后可以不经过调质处理这一工序，就可以获得碳素结构钢
12、或合金结构钢经过调质处理之后所达到的力学性能水平 6。采用非调质钢代替调质钢制造高强度螺栓的优点在于：1) 减少变形，避免了调质过程中的工件的变形、开裂，而产生废品的风险，提高了螺栓的成品率；2) 省略了高能耗的调质热处理，节能减排，经济性得到了提升，同时也改善切削加工性能。由于螺栓等紧固件一般采用冷镦加工，而微合金非调质钢相较于普通的冷加工钢材来讲，硬度较高。所以当在加工外形比较复杂的螺栓例如10.9 级螺栓时，螺栓表面的裂纹萌生率较大。因此，一般采用微合金非调质钢材料所加工制造的螺栓主要是 8.8 级螺栓与 7T 级螺栓。但是新一代微合金非调质钢已经开始进行进一步的实用化工作了，通过采用调
13、控钢的组织成分，改善螺栓的加工工艺的方法，已经可以用来制造高达 12.9 级的双头螺栓。表 1-2 是列出的几种比较典型的高强度螺栓用非调质钢的成分和性能 3,7,8。表 1-2 典型的螺栓用微合金非调质钢的成分和制造螺栓的强度水平 3,7,8厂家、牌号 C Si Mn P S Cr 其他 强度水平日本神户 KNH8S 0.29 0.02 1.43 0.007 0.007 0.10 _ 8.8 级日本住友金属SUC80 0.20 _ 1.00 _ _ 0.20 V、Ti 8.8 级中国钢研院LF18Mn2V0.15/0.200.30/0.601.35/1.75 0.030 0.030 _ V、
14、Ti 9.8 级1.2.3 高强度螺栓用硼钢在高强度螺栓生产的初期，螺栓用材料主要是中碳钢和中碳合金钢，经过冷镦加工之后进行调质处理，从而获得所需的强度和韧性。但是这类钢材含碳北京交通大学第 4 页量高，硬度大，工艺性能差，在冷加工前需要进行耗能、耗时的球化软化退火工艺处理。由于硼钢中碳含量较低，因此能够有效的改善的钢的冷变形能力，同时加入的硼还可以弥补因为碳含量的降低所导致的强度和淬透性的降低所产生的不良影响。因此采用硼钢作为高强度螺栓钢的材料强度与经过球化退火处理的中碳钢和中碳合金钢相差很小。而且，还可以节省为提高淬透性而添加的铬、钼等昂贵的合金元素，降低了成本。在日本采用低中碳钢硼钢生产
15、高强度螺栓已经比较普遍，在建筑，汽车等行业，为了降低成本，越来越多的级高强度螺栓已经采用硼钢来制造。同时在美国，也陆续设计了一系8.9列利用硼提高淬透性的新钢种，并也得到了广泛的应用。但是因为硼钢的抗回火软化的能力比低合金结构钢低，其回火温度要低 50100左右,所以采用硼钢制成的 10.9 级高强度螺栓的延迟断裂敏感性相对较大。表 1-3 是部分日本开发的典型用于制造高强度螺栓的硼钢 3,7。表 1-3 部分日本开发的典型的高强度螺栓用硼钢（质量分数 %)3,7厂家 C Si Mn P S Cr 其他 强度水平和 特征神户制钢 0.25 0.08 1.07 0.009 0.006 0.27
16、适量添加钛、硼 10.9 级耐延迟断裂新日铁FIRST 钢 0.23 0.20 1.10 0.015 0.015 0.30添加硼，优化钛、氮含量10.9 级耐延迟断裂大同特殊钢 0.25 0.03 1.00 0.01 0.002 0.30 Ti0.05，Nb0.025，B0.002 10.9 级耐延迟断裂为了解决延迟断裂敏感性较高的问题，可以通过向硼钢中添加钛、铌等微合金元素，同时控制轧制使得微合金元素碳氮化合物弥散析出，抑制淬火时奥氏体晶体长大，同时降低磷、硫和碳的含量，从而使得钢的延迟断裂性能得到提升。2 高强度钢的延迟断裂行为2.1 延迟断裂的基本概念和特征延迟断裂，是在受到静止应力作用
17、下的材料，经过一段时间之后突然毫无北京交通大学第 5 页征兆的发生脆性破坏的一种现象。其危害在于，这种断裂发生在低于材料屈服极限且无任何塑性变形的情况下 3,13,14。最近几年，因为高强度钢的氢致延迟断裂而导致的事故时有发生。例如，美国通用汽车在 20 世纪 80 年代初曾大量召回 640 万辆汽车，这在当时可是天文数字，而原因就是在车上运用了两根 12.9 级高强度螺栓，从而发生多起氢致延迟断裂事故 3。因此，延迟断裂对于机械，建筑和航空航天等行业的危害相当大，只有了解了延迟断裂的机理，掌握了氢脆断裂的规律，才能有效地避免氢脆断裂的发生。对于氢致延迟断裂，所谓的延迟断裂，是指在恒载荷作用下
18、，原子氢受到应力作用诱导扩散富集到应力高度集中的区域达到断裂的临界值需要一定的时间。因此材料在受到恒载荷作用下需要经过一段时间之后，氢致裂纹才会开始形核和传播扩展开，这一时期称之为孕育期。而氢原子富集区域在达到一定的浓度之后才能诱发裂缝，裂缝扩散穿越氢浓度富集区域时便停止扩展 13-19。直到氢原子在裂缝前末端应力集中区域再次富集并且达到临界浓度时，裂缝才又开始扩展，这一时期可以称之为裂纹扩展期。如此循环往复，直到发生突然的一次性断裂。材料发生延迟断裂需要具备三个条件，如图 1-2 所示 14。这三个条件是：1) 对延迟断裂敏感的材料；2) 材料中要存在一定量的处于游离状态的氢，例如氢原子、
19、氢离子、氢分子等；3) 材料要承受足够的静载荷 3,15。图 1-2 产生氢脆的三要素 14北京交通大学第 6 页并不是所有的金属材料都会产生延迟断裂这种现象，能够引起延迟断裂的材料是指对氢敏感的材料。影响材料对氢敏感性的因素很多，主要有材料的化学成分、显微组织、抗拉强度等。其中材料抗拉强度对氢脆有重要影响。经过热处理强化的合金钢内应力不能够完全消除，内应力越高的材料，对延迟断裂越敏感。材料的强度越高，内应力越大，越容易吸氢，而除氢会越困难。因此对于高强度钢而言，由于抗拉强度普遍较大，因此出现延迟断裂现象的可能性很大。而材料中氢的来源主要是以下两种情况 3,7,17：（1） 环境氢脆：氢从外部
20、的环境侵入到材料内部而引发的延迟断裂现象。例如，桥梁等建筑工程采用的螺栓紧固件，当处于潮湿环境中，特别是南方梅雨季节，同时长时间处于暴露状态下，就容易引发延迟断裂。（2） 内部氢脆：由于螺栓等紧固件或者结构件在进行酸洗、电镀等工艺处理过程中受到氢的侵入而导致的氢致延迟断裂现象。例如采用电镀工艺的螺栓等紧固件在承受一定载荷作用之后，经过较短时间之后产生的氢致延迟断裂现象。对于环境氢脆现象，主要是因为在长期处于暴露状态而发生了腐蚀，酸性物质在材料的腐蚀坑处发生反应生成氢离子侵入材料内部而导致延迟断裂；而内部氢脆则是由于在零件制造过程中，例如在酸洗、电镀等工艺处理过程中，侵入钢内部的游离态氢在应力的作用下向着应力集中的区域富集而引起的。图1-3 是高强度螺栓钢延迟断裂过程示意图 3,7。 图 1-3 高强度螺栓钢延迟断裂过程示意图 3,7
