微量Ti对35VB螺栓钢机械性能和组织的影响
徐 翔
(大冶特殊钢股份有限公司技术中心,黄石435001)
摘
要
试验研究了0.001%
~ 0.035%微量Ti对成分(%)为:0.32
~ 0.37C,0.59
~ 0.82Mn,0.20
~ 0.34Si,0.07
~ 0.09V,0.0015
~ 0.0036B的35VB螺栓钢强度、塑性、冲击韧性、淬透性和断口组织的影响。试验结果表明,当Ti含量≥0.024%时能显著提高35VB钢的淬透性,与含0.001%
~ 0.002%Ti的35VB钢相比,含0.024%
~ 0.035%Ti的35VB钢屈服强度和抗张强度分别提高200Mpa延伸率△δ提高1%,断面收缩率Δφ提高10%,冲击功提高50J。钢中含0.024%
~ 0.035%的微量Ti可进一步稳定和提高35VB螺栓钢的质量。
关键词
微量Ti
35VB螺栓钢
力学性能
大型钢结构工程连接用高强度螺栓钢35VB,以它良好的淬透性、抗缺口敏感性及热加工性,广泛用于国内许多重点桥梁工程上,是一种性能优良的连接件用钢。随着经济建设的不断发展,为了满足特大型、高难度工程构件的需要,有必要进一步稳定和提高35VB钢的质量水平,并就我公司生产的φ27mm、φ30mm和φ36mm规格的35VB螺栓钢中微量元素Ti对钢的组织和性能的影响进行研究。
1 试验方法
35VB钢生产工艺线路:18t
EAF + LF→岛津2300光谱仪化学成分分析→3t锭→初轧开坯→小型成材→制样→INSTRON1186材料试验机+M2N332末端淬火试验机机械性能试验。
统计生产中35VB钢的化学成分与常规机械性能分布状况。
分别选取生产中不同Ti含量的钢材,分析Ti与B的关系,对缺口敏感性及螺栓的楔负载进行试验。
2 试验结果
统计35VB钢生产中任意20炉的化学成分见表1。
表1
35VB钢的化学成分,20炉/%
项目 | C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Ti | V | Bt |
标准 | 0.31~0.37 | 0.5~ 0.9 | 0.17~0.37 | ≤0.04 | ≤0.04 | - | - | - | 0.05~0.12 | 0.001~0.004 |
试验钢 | 0.32~0.37 | 0.59~0.82 | 0.20~0.34 | 0.010~0.022 | 0.007~0.024 | 0.04~0.23 | 0.04~0.12 | 0.001~0.035 | 0.07~0.09 | 0.0015~0.0036 |
表1所选取的20炉35VB钢各炉C含量的偏差ΔC≤0.05,ΔMn≤0.23%,ΔV≤0.02%,只是钢中微量Ti含量不同,由0.001%至0.035%。将各炉的成品材取机械性能试样,经860℃淬火,430℃回火后进行拉力试验和冲击韧性检验。由试验结果(图1)可见,钢中残余微量Ti含量达0.024%时钢的强度和韧性显著增加:抗张强度υb和屈服强度υ0.2约分别增加200Mpa,冲击值ak约增加50J/cm2;延伸率Δδ增加1%,断面收缩率Δφ增加10%。
由含0.002%Ti,0.013%Ti和0.033%Ti的35VB钢制成φ25mm末端淬火试样(经880℃正火,870℃水冷),由末端淬火试验结果作出相对应钢的淬透性曲线见图2。由图2可见,随35VB钢中微量Ti含量的增加明显地提高了钢的淬透性。
将5炉不同Ti含量的钢材取样制成螺栓,按照GB/T1231-91规定10.9级高强度螺栓楔负载试验法,测试螺栓强度见表2。由表2可见1号样(0.002%Ti),2号样(0.013%Ti)和4号样(0.09%Ti)均为脆性断口,3号样(0.033%Ti)和5号样(0.029%Ti)为韧性断口。
取1号(0.02%Ti)、3号(0.033%Ti)端淬试样制成金相试片,观察其淬火端及距端部6mm处组织,见图3。由图3可见,含0.002%Ti的1号样在6mm处为贝氏体+铁素体组织,而含0.033%Ti的3号样在6mm处仍为马氏体+贝氏体组织。
表2 不同Ti含量35VB钢螺栓强度
试样号 | Ti | 载荷/kN | 断口 |
1 | 0.002 | 467 | 脆断 |
2 | 0.013 | 477 | 脆断 |
3 | 0.033 | 513 | 韧性断口 |
4 | 0.009 | 472 | 脆断 |
5 | 0.029 | 527 | 韧性断口 |
3 结果分析
20炉钢中各元素含量(Ti除外)差别不大(表1),造成机械性能在较大范围波动主要因素是35VB钢中的残余Ti的作用。Ti对性能的影响,一方面是Ti在钢中形成化合物,以第二相质点弥散分布在钢中,起到弥散强化作用。另一方面35VB钢中Ti的含量偏低(通常Ti在0.03%以下作为残余元素),其强化效果有限。但在含B的35VB钢中0.024%~0.030%微量Ti对钢的强度显著影响(图1)主要是微量Ti促进钢中有效B量增加的结果。
Ti是一种活性元素,它能与C、N、O等元素结合成Ti(N、C、O)的化合物,同时也能和Fe形成固溶体,当Ti与N、C、O等形成化合物时,将降低钢的淬透性;当Ti固溶于γ-Fe中能起到提高淬透性的效果。但由于Ti加入量少不能发挥这一作用,所以,微量Ti对淬透性的贡献主要是影响钢中酸溶硼(Bs)的含量(表3)。
表3 35VB钢中Ti含量对Bs的影响/%
试样号 | Ti | Bt | Bs | Bs/Bt |
1 | 0.002 | 0.0021 | 0.0006 | 0.29 |
2 | 0.013 | 0.0025 | 0.0010 | 0.40 |
3 | 0.033 | 0.0027 | 0.0018 | 0.60 |
微量B对淬透性的贡献是巨大的,但B对淬透性的贡献是以固溶B(亦称有效B)形式吸附在奥氏体晶界上才显示出来。当B与C、N、O等形成硼化物时就失去这种作用。表3中1号试样钢中Ti0.002%,钢中有效B占全B的29%,其余的B以化合物形态分布在钢中,3号试样钢中含Ti0.033%时有效B的比例占60%。由试验结果及分析可以看出,35VB钢中加Ti有细化晶粒和弥散强化的作用,但更重要的是降低了钢中游离出来N、O,形成Ti(N、O)的化合物,使随后合金化中加入的B能尽量固溶于Fe中而避免形成硼化物,从而提高淬透性(表2)。这就是B钢中常用Ti(也有用Al)来固N保B,从而充分发挥B提高钢的淬透性的作用[1]。
图3的试验结果进一步显示由于Ti含量的差异导致Bs的变化以及淬火过程中组织和硬度的变化。含0.002%Ti的1号试样淬透性低,由于Es=[12/(5+G)]×[M/12+(M/8.5)4+1]×[(1+25C3)/(1+5C4)]mm[2]计算半马氏体距为3.37mm,含0.033%Ti的3号试样出现大量贝氏体及铁素体混合组织,3号试样仍是马氏体+贝氏体组织。这种马氏体组织经回火后能获得强韧性的最佳配合,3号试样的机械性能各项指标均高于1号和2号试样,其强化的机理是马氏体相变强化作出的贡献。
4 结论
(1)
35VB钢中加入微量Ti能稳定和提高钢的性能,Ti含量达0.024%~0.035时,能有效提高钢的抗拉强度、冲击韧性、抗缺口敏感性及螺栓的楔负载性能。
(2) 含B钢冶炼中加Ti的主要作用是因为降低了钢液中游离的N、O等活性元素含量,增加了固溶B的含量,使B能充分发挥提高钢的淬透性的功能,热处理后获得良好的组织,稳定和提高了35VB钢的机械性能指标。
(3) 当35VB钢中Ti含量由0.002%提高到0.013%时,机械性能各项指标变化不大,当Ti含量提高到0.024%~0.035时,机械性能指标全面提高,特别是冲击韧性、缺口强度和螺栓的楔负载强度也大幅提高。
参考文献
1 罗兴宏,苏铁键,范存淦,等.钛-硼和铝硼处理对抗氧化1.25Cr-0.5Mn钢使用性能的影响.特殊钢,1998,19(2):19
2 余柏海.钢的计算机设计.北京:冶金工业出版社,1996
徐
翔,男,38岁,工程师。1990年北京科技大学化学系毕业,从事力学和光谱化学试验研究工作。