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紧固件螺栓调质的金相检验
作者:纳英紧固件    发布于:2021-09-13

调质是将亚共析钢加热超过Ac3以上30-50℃,当工件淬火温度正常,保温时间足够,且冷却速度也较高,过冷奥氏体在淬火过程中未发生分解,则淬火后得到的组织应是板条状马氏体和针片状马氏体。在中高温回火过程中,马氏体中析出碳化物,获得回火索氏体或回火屈氏体。


1.1

调质组织与评定


为确保高强度螺栓淬火时奥氏体化充分,淬火组织均匀,无未溶铁素体及非马氏体组织,必须充分重视淬火态组织的金相检验。对10.9级及以上高强度螺栓而言,淬火组织的均匀性尤为重要。


国外的高强度螺栓热处理非常重视钢的充分奥氏体化,确保其组织的均匀性,以获得最佳的强韧性配合,保障螺栓服役时安全可靠。国内高强度螺栓制造商对此尚未引起足够重视,普遍存在的问题是螺栓淬火加热保温不足,奥氏体化不充分。


评定调质处理的质量一般采用GB/T 13320—2007《钢质模锻件金相组织评级图与评定方法》。该标准适用于经过调质处理的结构钢件,不适用于脱碳、过热、过烧等组织的评定。


标准要求试样应在冷态下用机械方法制取;若采用热切时,必须将热影响区完全去除。制样过程中,不能出现因受热而导致的组织改变现象。试样抛光后用体积百分数2%~5%的硝酸酒精溶液侵蚀。


金相组织按1~8级评定,1级组织最好,8级组织最差。该标准第三组评级图,适用于结构钢调质处理件,尤其是高强度螺栓的调质检验。


被评定的调质组织介于两个级别之间时,以下一级为判定级别,例如大于3级小于4级时,则判为4级。调质的金相组织分析,在光学显微镜下用500倍观察,合格级别由供需双方协商约定,没有约定的以1级~4级为合格。生产实践表明,在低温环境下服役的螺栓,1级~3.5级为验收标准。


如果在评级时有争议,可以参考力学性能检验结果进行判定。


1.2

螺栓的调质及组织


GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》强调对8.8级及以上产品的材料要求应有足够的淬透性,以确保螺栓螺纹截面的心部在淬硬状态、回火前获得体积分数约90%的马氏体。


为保证良好的淬透性,对于8.8级、螺纹直径超过20mm的螺栓需采用标准规定的合金钢材料淬火并回火。


淬火后马氏体的粗细可按JB/T 9211—2008《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》进行评定。由于奥氏体化温度不同,马氏体形态和大小不一样。1级属于奥氏体化温度偏低,淬火组织是隐针马氏体、细针马氏体和体积分数不大于5%的铁素体;而8级则属于过热组织,是粗大的板条马氏体+粗片针马氏体。


正常淬火时控制在3~5级,其组织为细小的板条马氏体+片状马氏体,6级具有较高的冲击韧性、屈服强度和抗拉强度,适用于较大规格且要求淬透性高的螺栓。


图1为40Cr钢板条状及针状马氏体4级,图2为45钢板条状及针状马氏体5级,图3为SCM435钢板条状及针状马氏体4级,以上均为正常淬火组织。


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图1 板条状及针状马氏体(40Cr,4级)

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图2 板条状马氏体混合体5级

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图3 板条状及针状马氏体4级


回火索氏体组织实际上是在α相基体上分布的极小颗粒状碳化物,如图4、图5所示。回火温度根据高强螺栓等级要求,一般在450-600℃,具体温度范围视钢的化学成分有所区别。


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图4 回火索氏体

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图5 回火索氏体


因为合金元素的加入会减缓马氏体的分解、碳化物的析出和聚集以及残余奥氏体的转变等过程,回火温度将移向更高。


02


调质的缺陷组织


2.1

淬火过热组织


淬火加热温度偏高致使奥氏体晶粒长大,淬火后得到粗大的马氏体组织,如图6所示。一旦出现粗大针状马氏体,即使采用合理的回火温度进行回火,也不能获得较好的综合力学性能,具有该组织的螺栓在使用过程中极有可能发生早期断裂失效。


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图6 粗大的马氏体组织(42CrMo,8级)


SWRCH35K正常淬火温度不超过870℃。图7试样为920℃淬火时,晶粒急剧长大,不同晶粒内平行的马氏体位向是不同的,奥氏体化相应提高,淬火后残余奥氏体相对多一些。粗大马氏体组织综合性能差,也容易淬裂。


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图7 粗大马氏体及少量残余奥氏体


2.2

淬火欠热组织


高强度螺栓正常淬火后得到的组织应是板条状马氏体和针片状马氏体。淬火欠热是淬火加热温度过低或保温不足,奥氏体未均匀化,导致淬火后的组织为马氏体和未溶铁素体,如图8所示。即使通过回火也不能消除铁素体。


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图8 马氏体和未溶的铁素体


45钢在Ac1~Ac3保温,图9铁素体仍留在基体内。同时由于淬火温度低,保温时间短,奥氏体均匀化差,冷却时局部发生屈氏体转变。


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图9 浅灰色马氏体+黑色团絮状屈氏体+白色块颗粒状铁素体


2.3

欠淬透组织


淬火温度正常且保温时间足够,但冷却速度不够以至于不能淬透,结果沿工件截面各部位将得到不同的组织,即使表面是马氏体,往中心会逐步出现非马氏体组织。非马氏体组织有屈氏体、贝氏体等,心部为屈氏体和铁素体等组织。


在低合金钢中出现的非马氏体组织一般不是屈氏体,而是上贝氏体,如图10所示。该组织为马氏体基体上分布有少量贝氏体,用金相方法较容易检验出这种缺陷。


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图10 心部组织回火索氏体+上贝氏体


中碳调质组织形态取决于淬火态组织,加热不足而残留在马氏体组织中的块状铁素体,或冷却不足而在晶界处析出网状或半网状铁素体,都是有害的。


值得注意的是,加热不足引起的未溶铁素体与冷却不足时先析出铁素体在形态上是有区别的,前者呈圆钝块状或厚薄不均匀断续网状(图11),而后者是新形成的先共析铁素体,形态上比较纤细,分布在奥氏体晶界上(图12)。

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图11 淬火欠热组织(40Cr)

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图12 淬火冷却不足组织(40Cr)


03


常见热处理淬火缺陷


螺栓调质热处理工艺中淬火缺陷最为常见,如硬度不足、变形、开裂等。产生缺陷的原因很多,需从各方面分析,金相检验是常用的方法。


3.1

淬火裂纹


淬火时在螺栓中引起的内应力是造成变形与开裂的根本原因。当内应力超过材料的屈服强度时,便引起变形;当内应力超过材料的断裂强度时,便造成开裂。只有拉应力是使裂纹萌生和扩展的必要条件。淬火裂纹原因可以从两方面考虑,一是有哪些因素造成了较大的应力;二是材质有没有缺陷,致使强度和韧性降低。


3.1.1 淬火裂纹特征

多数情况下裂纹由表面向心部扩展,宏观形态较平直。

从宏观与微观看裂纹两侧均无脱碳,但如果在氧化性气氛中进行过高温回火,则淬火裂纹两侧会有氧化层(图13)。

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图13 裂纹两侧严重脱碳


3.1.2 内应力增大引发正常组织淬火裂纹

设计不合理,如有尖角、截面突然变化,易引起应力集中。

冷却太强烈,如本应采用快速淬火油,却选择了水溶液,不该冷透时冷透等。

淬火时冷却方式不当,淬火后未及时回火。

3.1.3 组织缺陷引起淬火裂纹

淬火温度偏高,奥氏体晶粒粗大,淬火后形成较粗大的马氏体,容易开裂。特别是粗大的高碳马氏体,常伴有显微裂纹。

钢材存在网状碳化物等脆性相,淬火时易沿脆性碳化物网开裂。在晶界处有沿晶界分布的碳化物网络,磨削时也容易磨裂。

钢材有折叠或粗大夹杂物等缺陷,淬火时易沿此缺陷形成裂纹。

钢材中存在严重偏析,淬火后组织不均匀,内应力较大且不均匀,容易开裂。

由于紧固件表面脱碳,淬火时表层体积膨胀小,受到两相应力,容易形成龟裂。


3.2

淬火硬度不足

加热温度不足,冷却时形成屈氏体,当屈氏体很少时,硬度无明显变化,但金相组织容易鉴别。

淬火冷却速度不足,淬火组织中除马氏体外,还有屈氏体或贝氏体组织。屈氏体或贝氏体越多,硬度越低。

表面脱碳,淬火时不易形成马氏体,或形成低碳马氏体,如图14所示。


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图14 表面脱碳铁素体和低碳马氏体

淬火过热,过热组织马氏体粗大,残余奥氏体量明显增多,硬度也降低。

螺栓淬火回火后性能达不到技术要求,影响因素是多方面的,对其进行质量分析是一个复杂的过程。这里只是强调金相检验时应注意有无影响强韧性的不利因素,诸如晶粒粗大、非金属夹杂物、网状渗碳体、网状铁素体、淬火组织中的非马氏体组织以及低倍检测中的显微偏析造成的组织不均匀等。


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