蘆 琳 李周波

(1國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心 寶雞 721008)

(2寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院 寶雞 721008)

S355、Q345D的低溫力學(xué)性能

蘆 琳1，2李周波1，2

(1國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心 寶雞 721008)

(2寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院 寶雞 721008)

以S355、Q345D為對(duì)象，研究了兩種材料自室溫至-100℃溫度范圍內(nèi)的力學(xué)性能及斷裂機(jī)制。結(jié)果表明兩種金屬材料的斷裂韌性則隨溫度的降低而降低;屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度則隨溫度的降低而升高。斷面收縮率、延伸率以及缺口敏感系數(shù)均未出現(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象。由于試驗(yàn)材料塑性很好產(chǎn)生缺口強(qiáng)化效應(yīng)，使得缺口材料的抗拉強(qiáng)度高于光滑試樣。從微觀機(jī)制上看，隨著溫度的降低，材料的微觀斷口形貌由韌窩狀逐步轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)解理。

低溫 斷裂韌性 斷口形貌

1 引言

S355、Q345D兩種低合金高強(qiáng)鋼均具有很好的綜合力學(xué)性能，并且廣泛的應(yīng)用于橋梁、船舶、電站、鍋爐、壓力容器、石油儲(chǔ)罐、起重運(yùn)輸機(jī)械等各個(gè)方面。在國(guó)家大力號(hào)召使用清潔能源的情況下，風(fēng)力發(fā)電逐漸被人們關(guān)注［1］。目前中國(guó)國(guó)內(nèi)有大小風(fēng)電場(chǎng)近百家，主要分布在三北地區(qū)和東南沿海，三北地區(qū)以?xún)?nèi)蒙古和東北三省等省份分布較為密集［2］。這些地區(qū)的共同特點(diǎn)就是冬季氣溫比較低，最低溫度可達(dá)-30℃以下。低溫下機(jī)組的運(yùn)行工況、零部件的性能以及機(jī)組的可維護(hù)性等方面會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，可能會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組超出原始設(shè)計(jì)的允許范圍，情況嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故［3］。而 S355、Q345D兩種合金是風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒部分的主要用材，所以對(duì)于這種鋼材的低溫力學(xué)性能的研究對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)主要包括兩種材料從室溫至-100℃的光滑拉伸、缺口拉伸、斷裂韌性以及微觀組織分析4部分。試驗(yàn)中研究的兩種鋼鐵材料S355、Q345D為熱軋板材，主要用于風(fēng)機(jī)的塔筒部分。材料供貨狀態(tài)下的金相組織如圖1所示。其中S355和Q345D的組織是珠光體加鐵素體，由于試驗(yàn)所用試樣取自于熱軋鋼板，在圖中可明顯看出其帶狀組織。比較圖1可知Q345D的組織相對(duì)粗大。

圖1 兩種材料的金相組織Fig.1 Metallography of S355，Q345D

3 分析與討論

3.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)得出兩種材料光滑拉伸試樣從室溫至-100℃的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率，為了清楚的說(shuō)明溫度變化對(duì)于兩種材料性能的影響，將得出數(shù)據(jù)的平均值繪制，如圖2所示。由于變化趨勢(shì)相似以S355為例，在圖中可以清楚的觀察到S355的抗拉強(qiáng)度Rm，屈服強(qiáng)度Rp隨溫度降低呈遞增趨勢(shì)，而延伸率A和斷面收縮率Z隨溫度降低無(wú)明顯變化。

圖2 S355的A，Z(a圖)和Rm，Rp(b圖)隨溫度變化曲線(xiàn)Fig 2 Temperature curve A，Z(Fig a)and Rm，Rp(Fig b)of S355

對(duì)于S355和Q345D兩種金屬材料，其強(qiáng)度均隨著試驗(yàn)溫度的降低而逐漸升高。出現(xiàn)此種現(xiàn)象是由于兩種材料均屬于體心立方金屬。而體心立方金屬的派-納力對(duì)溫度是很敏感的，隨著溫度降至室溫之下，派-納力會(huì)急劇的升高［4］。除此之外，金屬在低溫下發(fā)生螺位錯(cuò)的交滑移比較困難。綜合以上兩方面的原因，兩種金屬均產(chǎn)生了隨著溫度的降低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度急劇增高的現(xiàn)象。

在低溫拉伸試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)S355和Q345D兩種金屬材料的缺口抗拉強(qiáng)度高于同等溫度下的光滑試樣的抗拉強(qiáng)度。而這種現(xiàn)象室溫至-100℃的7個(gè)溫度區(qū)間中均有出現(xiàn)。以S355為例將材料的在同一溫度區(qū)間下的抗拉強(qiáng)度Rm和缺口抗拉強(qiáng)度RmH如圖3所示。

圖3 S355不同溫度下Rm和RmH的曲線(xiàn)Fig 3 Temperature curve Rmm and RmHof S355

該現(xiàn)象應(yīng)該從缺口的存在對(duì)金屬材料的性能方面有何影響來(lái)進(jìn)行解釋。首先缺口的存在會(huì)產(chǎn)生兩種作用，一是引起應(yīng)力集中，并改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使缺口試樣中所受的應(yīng)力，由原來(lái)的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)，也就是出現(xiàn)了σx(平面應(yīng)力狀態(tài))或σx與σz(平面應(yīng)變狀態(tài))，視板厚或直徑而定。二是由于缺口根部的多向應(yīng)力狀態(tài)，使塑性變形收到了約束，產(chǎn)生了缺口強(qiáng)化［5］。

對(duì)于塑性較好的材料，若缺口根部產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重新分布，并隨載荷的增大塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至整個(gè)截面上都產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)屈雷斯加判據(jù)，金屬屈服的條件是σmax=σy-σx=σs。在缺口的根部，σx=0，故σmax=σy=σs。當(dāng)外加載荷增加時(shí)σy也隨之增加，缺口根部首先滿(mǎn)足σmax=σy=σs的要求而發(fā)生屈服。隨著根部產(chǎn)生屈服，則σy立刻松弛而下降到材料的σs值。但在缺口內(nèi)測(cè)的截面上，由于σx≠0，如果想要滿(mǎn)足屈雷斯加判據(jù)，則必需加大縱向的應(yīng)力σy，也就是說(shuō)試樣心部的屈服要在縱向應(yīng)力σy不斷增大的狀態(tài)下才會(huì)產(chǎn)生。當(dāng)滿(mǎn)足這個(gè)條件時(shí)，材料的塑性變形就會(huì)從表面擴(kuò)展至心部。同時(shí)伴隨著σy、σz隨σx的增大而增大。由此可見(jiàn)，在存在缺口的條件下由于出現(xiàn)了三向應(yīng)力狀態(tài)，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣的抗拉強(qiáng)度比光滑試樣單向拉伸時(shí)高［6］。

3.2 斷裂韌性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了便于分析溫度對(duì)金屬材料J積分的影響。將試驗(yàn)所得兩種材料的J積分?jǐn)?shù)據(jù)匯總于下表1所示。

表1 不同溫度下兩種材料的J值Table 1 The materials J under different temperature kJ/m2

根據(jù)不同試驗(yàn)溫度下的J值作出兩種材料的JT曲線(xiàn)。圖4和圖5分別是S355、Q345D鋼的J值隨溫度的變化曲線(xiàn)。它們的斷裂韌性都隨著試驗(yàn)溫度的降低而降低，但是不同材料韌性隨溫度的變化各異。

圖4 S355鋼的J-T曲線(xiàn)Fig.4 The J-T of S355

圖5 Q345D鋼的J-T曲線(xiàn)Fig 5 The J-T of Q345D

試驗(yàn)所得兩個(gè)牌號(hào)的低強(qiáng)度低碳低合金鋼室溫時(shí)斷裂韌度都較高，S355試樣上平臺(tái)區(qū)域較廣，韌脆轉(zhuǎn)變溫度比較低，低于-80℃;而Q345D試樣上下平臺(tái)之間的落差較大，斷裂韌性的轉(zhuǎn)變溫度范圍較窄。S355和Q345D相比，其J-T曲線(xiàn)上平臺(tái)區(qū)斷裂韌度基本相同，而低溫?cái)嗔秧g度明顯高于Q345D。

通過(guò)觀察金相圖片發(fā)現(xiàn)Q345D的晶粒明顯大于S355。分析得出，S355和Q345D均屬于低碳低合金鋼且熱處理狀態(tài)、顯微組織相同，化學(xué)成分相近，所以在斷裂韌性上平臺(tái)區(qū)差別并不大。

之所以在低溫下S355的斷裂韌度高于Q345D主要有以下兩方面的原因:

(1)柯垂耳用能量分析法推導(dǎo)出解理裂紋擴(kuò)展的臨界條件，結(jié)合甄納-斯特羅的位錯(cuò)塞積理論模型，加之屈服時(shí)裂紋已經(jīng)形成，其最大切應(yīng)力和晶粒直徑之間存在霍爾-佩奇關(guān)系，所以得出解理斷裂時(shí)裂紋體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度與晶粒大小滿(mǎn)足下式關(guān)系:

式中:σc為裂紋擴(kuò)展所需要的應(yīng)力，MPa;G為材料的切變模量，GPa;γs為材料的有效表面能，J/m2;ky為材料的釘扎常數(shù);d為材料的晶粒尺寸，μm。

由于S355晶粒直徑小于Q345D，所以在低溫下產(chǎn)生解理斷裂時(shí)，其所需應(yīng)力σc高于Q345D，其低溫?cái)嗔秧g度高于 Q345D［6］。

(2)由于S355的晶粒細(xì)小，總的晶界面積就增加，同時(shí)還存在鐵素體和奧氏體的相界面，有害雜質(zhì)元素在晶界、相界面的偏聚程度就相對(duì)減小，所以在低溫下的斷裂韌性?xún)?yōu)于晶粒較為粗大的Q345D［5］。

另一種解釋認(rèn)為，在同是韌窩斷的情況下，原始奧氏體晶粒度大小對(duì)斷裂韌性的影響不大，而在同是解理或準(zhǔn)解理的情況下，原始奧氏體晶粒細(xì)小者斷裂韌性較高［5］。所以?xún)煞N材料在J-T曲線(xiàn)的上平臺(tái)區(qū)斷裂韌性相近，而低溫時(shí)S355明顯高于Q345D。

3.3 溫度對(duì)斷裂機(jī)理的影響

本試驗(yàn)利用HITACHI S-2700型掃描電鏡分別觀察S355、Q345D兩種材料在7個(gè)試驗(yàn)溫度區(qū)間下J積分?jǐn)嗫?，研究其斷口形貌，了解斷裂機(jī)制。為了更直觀的分析溫度對(duì)斷口的影響，選取材料在不同溫度下的SEM照片。結(jié)合材料J-T曲線(xiàn)，分析溫度對(duì)斷口機(jī)理的影響。由于變化趨勢(shì)相似，所以選取S355的J-T曲線(xiàn)來(lái)加以說(shuō)明。

圖6是S355鋼電鏡斷口隨試驗(yàn)溫度變化的示意圖，在斷裂韌性的上平臺(tái)(例如-20℃圖6)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展開(kāi)始區(qū)域的微觀斷口形貌是韌窩狀，在-100℃時(shí)，電鏡斷口形貌則是準(zhǔn)解理加晶間斷，而在J-T曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)則為準(zhǔn)解理加韌窩混合。從而可以說(shuō)明，在溫度降低時(shí)，裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制是逐漸變化的，反映了從高能量的斷裂過(guò)程向低能量斷裂過(guò)程的轉(zhuǎn)化［7］。

圖6 S355鋼電鏡斷口隨試驗(yàn)溫度的變化Fig 6 Fracture mophology of S355 as temperature change

4 結(jié)論

(1)與室溫相比較，兩種金屬材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均隨溫度的降低而升高;上升了約20%—25%。隨著溫度的降低，延伸率以及斷面收縮率與室溫時(shí)的數(shù)據(jù)變化不大，均未出現(xiàn)明顯的溫度敏感性。S355和Q345D的延伸率為32%左右，斷面收縮率約為72%。

(2)兩種金屬缺口抗拉強(qiáng)度隨溫度的降低逐漸升高，由于材料塑性很好產(chǎn)生缺口強(qiáng)化效應(yīng)，使得缺口材料的抗拉強(qiáng)度高于光滑試樣。S355、Q345D的缺口抗拉強(qiáng)度分別高于光滑試樣40.01%、40.59%。隨著溫度的降低其缺口拉伸敏感系數(shù)qe沒(méi)有顯著的變化，均保持在1.40左右。

(3)斷裂韌性試驗(yàn)中，兩種材料的斷裂韌性均隨溫度的降低而降低，室溫時(shí)S355、Q345D的斷裂韌性分別為307.51 kJ/m2、278.07 kJ/m2溫度降為-100℃時(shí)分別為61 kJ/m2、17.69 kJ/m2。兩種材料相比較S355具有更好的低溫性能。

(4)從微觀機(jī)制上看，J-T曲線(xiàn)的上平臺(tái)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展開(kāi)始區(qū)域的微觀斷口形貌是韌窩狀，在轉(zhuǎn)變溫度范圍是韌窩加準(zhǔn)解理的混合，下平臺(tái)則是準(zhǔn)解理斷裂。低溫使材料的斷裂機(jī)理發(fā)生改變，從而影響到材料的斷裂韌性。

1 機(jī)械工程導(dǎo)報(bào)編輯部.傳統(tǒng)能源進(jìn)行低碳發(fā)展的途徑［J］.機(jī)械工程導(dǎo)報(bào)，2010(5):3-5.

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Low temperature mechanical properties of S355、Q345D

Lu Lin1，2Li Zhoubo1，2

(1Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，China)
(2Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd，Baoji 721008，China)

The mechanical properties of S355，Q345D were studied.The test temperature was from room temperature to-100℃.The results show that as the temperature dropped，the fracture toughness of the two materials decreased too.At low temperature the yield strength and tensile strength of the metallic materials increased greatly.The elongation A，cross-section Z and notch sensitive coefficient qehaven’t significantly changed.Due to the notch strengthening effect，their RmHwere much higher than Rm.While from the micro-mechanism point of view，the fracture mophology changed from dimple to quasi-cleavage as the temperature decreased.

low temperature;fracture toughness;fracture morphology

TB663

A

1000-6516(2012)05-0054-04

2012-07-16;

2012-09-25

蘆 琳，女，27歲，碩士。

book=62,ebook=360