带状组织对紧固件的影响

为什么要控制带状组织呢，原因考虑如下：带状组织越严重，材料合金偏析的越严重，不同区域淬透性差异很大。其中大规格螺栓头部鐓锻后，若未进行预先热处理退火或正火，容易出现粒状贝氏体组织，影响机械加工性能；另外在螺栓淬火过程中，合金含量低的区域（铁素体条带区域）淬透性较低，淬火质量难以保证，在螺栓心部容易出现条带性淬火贝氏体，导致拉力载荷波动较大，影响测量稳定性。总之是对紧固件的相关热处理工艺质量有明显影响。

冷却过程中铁素体首先析出的区域是奥氏体相对不稳定的区域，不稳定的条件是该区域的合金含量偏低，而珠光体区域会因合金元素偏高而奥氏体相对稳定，是奥氏体后分解区域。但其中铁素体及珠光体组织的相对含量（%）则决定于材料的含碳量，应该明确表面上是评价带状组织（铁素体和珠光体的带宽），实质上是在评定材料中合金元素的偏聚程度。

同时，促进合金元素均匀扩散、减少盘条、棒料连铸坯凝固组织微观偏析是减轻或消除带状组织的主要途径。带状组织中可能存在长条状夹杂物，然而，钢中夹杂物的大小、形貌和分布对带状组织的影响程度至今还不清晰。精细地表征与定量评价带状组织及其危害程度是亟待开展的重要工作。此外，盘条、棒料铸坯加热制度对消除带状组织和控制组织晶粒度的综合影响也有待深入研究。

现行螺栓钢标准有GB/T3077-2015《合金结构钢》和GB/T6478-2015《冷镦和冷挤压用钢》，它与GB/T3077-1999和GB/T6478-2001旧标准的主要差别在于对杂质元素P、S含量控制严格，各等级钢中的P、S含量均下降，前者优质钢比原标准降低0.005%（≤0.030%），后者调质型钢为≤0.025%，体现了我国钢铁冶金技术的持续进步，降低了热处理淬火开裂的风险。由于GB/T3077、GB/T6478标准中没有对带状组织检测的要求和规定，需要尽早添加和修订。

钢中存在磷的偏析时会形成带状组织。当钢在A3-A1区间慢冷时，高磷区域的A3温度高，首先形成铁素体，碳被浓缩到低磷区，造成低磷富碳区，在随后冷却时发生共析转变，形成珠光体，使组织分层排列。

锰也是促进带状偏析形成的元素。热轧钢中，一般形成珠光体处的含锰量较高，而析出铁素体处含锰量较低。钢经热轧后缓慢冷却，先共析铁素体将优先沿变形纤维分布方向的低锰处析出，然后碳将推进到高锰处形成珠光体，结果珠光体与铁素体相间分布呈条带状。

如果钢材中存在沿轧制方向被拉长为呈带状分布的非金属夹杂物，在冷却过程中，这些夹杂物就可能成为铁素体优先析出的核心，而形成铁素体带，一般就很难用正火的方法予以消除。这种带状组织必须先采用高温均匀化退火后再正火处理来改善。

图2  42CrMo钢退火后的带状组织（X100）

从图2 可以看出，组织成分不均匀，铁素体聚集成块状。如果奥氏体中的合金元素分布不均匀，将导致其晶粒长大倾向不一，在碳化物形成元素的富化区易残留未溶碳化物，降低碳原子的扩散速度，从而抑制晶粒长大；在贫化区晶粒则容易长大，故易出现混晶组织。淬火时，合金元素贫化区的淬透性低，易形成非马氏体组织。渗碳淬火时，混晶中的粗大晶粒形成粗大针状马氏体，将增加残留奥氏体量。因此，带状组织在常规热处理之后都具有较低的力学性能。此外，因成分偏析引起膨胀系数和相变前后比体积差异增大，使螺栓淬火变形增大。

图3  42CrMo钢淬火后的带状组织力学性能具有方向性（左X500、右X1000）

带状组织由于其显微组织分层排列，因而使其力学性能具有方向性，（见图3）即沿带状纵向的抗拉强度高，韧性也好，但横向的性能就比较差，不仅强度低，韧性也差，而且还会使钢的切屑性能变差，同时使后续热处理变形与硬度的不均匀性增加。如果淬火前存在带状组织，淬火加热过程中不可能全部消除，淬火后残存的带状组织会使工件产生较大的组织应力，甚至导致开裂。

结合表1机械性能数据，冲击值不合格，平均值21比标准值27相差了22% 左右，铁素体在晶界处聚集长大，使得晶粒度增大，裂纹扩展阻力减小，冲击功降低。

通常碳在奥氏体中的均匀化温度高于950℃，合金元素的均匀化温度要高于1100℃，而均匀化时间受带状组织的带宽、带间浓度差和要求均匀化程度的限制。因此，欲使带状组织中的碳（特别是合金元素）均匀化是相当困难的，采用常规热处理（如退火、正火、淬火、渗碳等）工艺一般很难消除带状组织。

为此，关于汽车紧固件用钢带状组织的评价适应性或实用性问题，讨论如下：

首先，是适用合金钢材的含碳量范围，需要强调是在平衡组织状态下，珠光体和铁素体组织的面积百分比含量大体相当才适合带状组织的评价。这种组织状态下最能够表达钢材中的合金元素偏析问题。同时强调只有在平衡组织状态下，组织稳定性好，具有可比性。而非平衡组织则变化多样，无法统一辨别及比较。

其次，强调带状组织主要针对那些淬透性较高的高等级螺栓钢，因为这种材料合金元素较多，偏析非常严重；同时必须关注到这类材料均是用于制造那些规格比较大的汽车紧固件，或风电、核电机组大螺栓，因而钢材的轧制压缩比比较小，大规格螺栓的淬火条件也较差，带状组织及其影响相对严重。通常应该是材料直径大于某个尺寸规格的钢材才有带状组织的要求，同时要规定钢材取样的具体部位，因为大尺寸规格钢材的不同部位带状组织差异很大，在特定部位取样评定才有技术意义。这其中也需要明确一点。

最后，关于疲劳强度的问题。业内有一些说法提到带状组织会影响疲劳强度，从技术层面包括两个方面。其一，关于带状组织控制的是由螺栓毛坯件退火和成品件调质组织的异常而提出的，不涉及到产品的疲劳强度问题。其二，如果是对相关的钢材进行标准化的疲劳性能试验，以标准的疲劳样品及热处理方法，疲劳样品不会表现出对带状组织的敏感性，也不会对疲劳性能有影响，因此测定不出来相关数据的。