摘要：根据形变强化非调质钢螺栓的制造工序，对MFT8非调质钢原材料、冷拔和时效处理三种状态下的形变强化效应进行了研究，比较了它们的形变硬化指数及力学性能，研究分析了组织对其性能的影响。实验结果表明：MFT8非调质钢形变强化效应明显；时效处理后仍具有良好的形变强化能力，可以确保螺栓在使用时的安全性；强化后的螺栓各项力学性能指标达到8.8级技术要求，研究材料能够取代调质钢制造高强度螺栓。

标准件螺栓在工程及机械领域中用量大、范围广，形变强化非调质钢制造8.8级高强度螺栓可省去调质处理工艺，减少热处理工序和设备，降低能源消耗，缩短生产周期，同时避免了在热处理过程中由于变形或淬火裂纹所造成的废品，具有广阔的应用前景。

通常用形变硬化指数n表示材料的形变强化能力，n值越大，均匀变形量越大，冷成形性能好，强化效果明显。非调质钢螺栓的主要生产流程为：热轧线材-酸洗-冷拔-滚丝-时效，原材料经冷拔后形变强化，其力学性能如何，能否取代调质钢制造高强度螺栓，时效后的形变强化的余量能否确保螺栓使用的安全，需要进行实验研究。

1 实验材料和方法

MFT8钢原材料为φ9mm的热轧线材，化学成分 (质量分数%)为：C0.21，Si 0.13，Mn1.37，P 0.015，S 0.005，Nb0.04 ，Al 0.047。实验材料经酸洗、表面预处理后进行冷拔强化，减面率分别为25%和30%。

在电子万能试验机上对原材料、冷拔材、时效后的试样进行拉伸实验，并分别在均匀变形区间任意取数点计算应变硬化指数，按GB/T 228—2002 标准选取5倍试样；在扫描电镜上观察其组织形貌。纵向线切割制取透射电镜试样，经双喷电解减薄后在透射电镜下分析微观组织。

实验方案为：（1）原材料形变强化效果研究，评判其冷成形性能及形变强化的效果；（2）比较两种不同减面率的冷拔材料形变强化效果，优选其中一种进行时效处理；（3）分析时效后螺栓产品最终的力学性能是否达到技术要求，测试最终形变强化指数，预测其使用时的可靠性。

2 实验结果

2 .1各种状态下材料形变强化效果及性能

8.8级（M不大于16mm）螺栓技术要求：抗拉强度大于800MPa；屈服强度大于640MPa；断后伸长率为12%；HRC23~32。采用拉伸实验测试原材料、冷拔材料的n值与性能，两组减面率的棒料性能数据均达到要求。螺栓冷拔后镦头由于鲍辛格效应的作用，随冷拔减面率的增加成形阻力将减小，在30 %时，鲍辛格效应最大，压缩真应力最小，由此最终优选减面率30%的棒料进行300℃，2h时效处理，并测试n值和性能指标，各项性能如表1所示。

表1  MFT8钢的力学性能

Table.1  Mechanical properties of MFT8 steel

2 .2各种状态下材料的组织

通过采用微合金化技术，在低碳钢中添加微量合金元素Nb，控轧控冷使原材料铁素体和珠光体中碳氮化物弥散析出，产生沉淀强化和细晶强化作用。原材料基体组织为碎片状珠光体+铁素体，晶粒尺寸5 μm，放大的铁素体晶粒中有明显的析出物，如图1，2所示。

为进一步提高材料的强度，对原材料进行了冷变形，冷拔后金相组织及晶粒度变化不大，但铁素体内部形成了大量的位错，并且位错纠缠形成了胞状亚结构，如图3a所示。时效处理后，铁素体中形成了亚晶界，位错形态发生了变化，如图3b。

图1 铁素体+碎化珠光体    

 图2铁素体晶粒内的析出物

       图3时效处理前（a）后（b）铁素体中的位错密度，（TEM）

3 分析与讨论

在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度之后，塑性变形并不像屈服平台那样连续流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行。这表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力，这就是形变强化性能。应变硬化指数n反映了金属材料抵抗继续变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。在极限情况下，n=1，表示材料为完全理想的弹性体，S 与e成比例关系；n=0时，S=K=常数，表示材料没有应变硬化能力，比如室温下产生再结晶的软金属及已受强烈应变硬化的材料。

实验结果显示：原材料具有较高的n值，冷变形能力较好。减面率由25%提高到30%，随塑性变形量的增大，强化效果增加，各项力学性能指标均达到8.8级螺栓技术要求。塑性变形是强化的原因，强化是塑性变形的结果。随变形量的增大n值下降，材料继续强化的能力减弱。经过30%减面率的变形材料n值为0.235，这说明其仍然具有一定的抗过载失效能力。以上三种状态的拉伸断口均显示材料为韧性断裂，这说明形变后材料强度提高，但其仍然保持韧性状态。

金属的点阵类型和本质决定其形变强化效果[7]，金属的滑移系、形成胞状结构的难易度、螺位错的交滑移能否顺利进行等因素对n值的影响显著。原材料以下特点使其具有非常高的形变强化能力：细小的晶粒；容易多系交叉滑移的铁素体组织；间隙原子碳对提高形变强化的作用；材料中的Nb形成的碳化物质点，在塑性变形过程中引起的位错增殖，以上各种因素的综合作用使实验材料具备较好的形变强化潜力，故测试结果显示的n值较高。

如图4所示，冷拔后由于铁素体内部形成了大量的位错，并且位错纠缠形成了胞状亚结构，n值与原材料相比有所下降，剩余塑性减少。

在冷作强化的状态下使用的非调质钢螺栓，形变组织中存在着高密度的可动位错和其它缺陷，使其处于不稳定状态。在螺栓加载时，这些可动位错就会攀移，引起微小屈服，影响其使用性能。时效处理可稳定可动位错，同时还可使非调质螺栓具有良好的综合性能。由于时效处理刃位错可获得足够的能量产生攀移，使滑移面上不规则的位错重新分布，排列成墙，形成亚晶，所以时效后n值有所恢复，而塑性基本保持不变，较高的残余n值保证了螺栓在使用时抗偶然过载的能力。

4 结论

（1）   MFT8非调质钢具有较好的形变强化潜力，适宜冷作强化；

（2）   形变强化后实验材料的各项力学性能指标达到8.8级螺栓技术要求，可以取代调质钢。

（3）   时效处理后n值恢复升高，确保了螺栓使用的安全性。

 

 

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