高　瀟　楊仁杰　李英杰　張秀芝

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

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帶狀組織對Q345E鋼力學(xué)性能的影響

高瀟楊仁杰李英杰張秀芝

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

摘要：以風(fēng)電法蘭用鋼Q345E為研究對象，研究了帶狀組織等級對Q345E鋼縱向和橫向拉伸性能與低溫沖擊性能的影響。研究結(jié)果表明，帶狀組織越嚴(yán)重，材料的低溫沖擊性能越差，而且橫向試樣的沖擊功明顯低于縱向試樣的沖擊功。帶狀組織對材料的拉伸性能雖有影響，但幅值較小。試樣的取向?qū)Σ牧系睦煨阅苡绊懖幻黠@。

關(guān)鍵詞：Q345E鋼；風(fēng)電法蘭；帶狀組織；力學(xué)性能

風(fēng)電法蘭由于其工作位置的關(guān)鍵性(連接塔筒，位置較高，不易更換和維修)和工作氣候的特殊性(風(fēng)力強(qiáng)，溫差大，溫度低)，對低溫沖擊性能等各項(xiàng)力學(xué)性能均有較高的要求。鋼材中C、Mn、Si等合金元素對低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域主要起正面的影響，而P和S元素在材料沖擊韌性方面起極大的負(fù)面作用[1-5]。

Q345E鋼屬于亞共析鋼，其含碳量較低，本身具有良好的塑性、韌性。但是，Q345E風(fēng)電法蘭在生產(chǎn)過程中，由于輾環(huán)機(jī)多道次成形的工作特點(diǎn)以及后續(xù)熱處理工藝的不當(dāng)，極易產(chǎn)生帶狀組織。由于帶狀組織中鐵素體和珠光體呈條帶彼此相間分布，其相鄰組織各不相同，從而造成材料內(nèi)部各向異性，造成低溫下沖擊韌性降低，尤其是橫向沖擊性能顯著降低。本文以風(fēng)電法蘭用材料Q345E為研究對象，研究了不同級別帶狀組織對材料的低溫沖擊性能及拉伸性能的影響，為風(fēng)電法蘭的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

試樣取自Q345E熱輾成型法蘭，將風(fēng)電法蘭經(jīng)最終熱處理后沿縱向(軋制方向)和橫向(垂直于軋制方向)分別取帶狀組織級別為0～5級各個(gè)級別的6組試樣，取樣位置如圖1所示。

圖1　取樣方向及沖擊試樣V形缺口方向示意圖

按照GB/T 2975—1998要求分別沿橫向、縱向切取圓棒試塊，然后按照GB/T 228—2010和GB/T 229—2007分別制備拉伸試樣和沖擊試樣。夏比V形缺口沖擊試樣的制備過程中，結(jié)合風(fēng)電法蘭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11218—2011，切向沖擊試樣與軸向沖擊試樣的V形槽缺口的方向應(yīng)朝向法蘭鍛件的連接面。此外，由于法蘭單邊寬度不足國標(biāo)中R4號尺寸(d0=10 mm，L0=50 mm)的規(guī)定，故橫向拉伸試樣按EN/ISO 06892-1—2009標(biāo)準(zhǔn)制備。除了試樣的兩端頂部外，其余的表面粗糙度應(yīng)小于Ra5 μm。

不同等級帶狀組織橫、縱向試樣的低溫沖擊試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007執(zhí)行，在JBW—500屏顯沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-50℃。每組試樣為同一位置切取的3個(gè)試樣，結(jié)果取平均值。按照GB/T 228—2010在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同等級帶狀組織橫、縱向試樣的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1不同帶狀級別在-50℃時(shí)沖擊韌性分析

不同帶狀級別的橫、縱向沖擊試樣在-50℃進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分別得到縱向、橫向試樣的帶狀組織級別與沖擊吸收功關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2　不同帶狀等級的-50℃沖擊韌性

從圖2可以看到，隨著帶狀組織的加重，材料的沖擊吸收功逐漸降低。同一級別的帶狀組織，材料的橫向沖擊吸收功明顯低于其縱向沖擊吸收功。當(dāng)帶狀組織等級為0級和1級時(shí)，橫向、縱向沖擊吸收功均可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11218—2011所規(guī)定的縱向3個(gè)試樣平均吸收能量(≥50 J)和橫向3個(gè)試樣平均吸收能量(≥30 J)。當(dāng)帶狀組織等級≥3級時(shí)，產(chǎn)品的橫向低溫沖擊性能將極易出現(xiàn)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的現(xiàn)象。當(dāng)帶狀組織為4級左右時(shí)，產(chǎn)品縱向低溫沖擊韌性也將出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。

眾所周知，由于多道次輾擴(kuò)成形的特點(diǎn)，在變形過程中由于晶粒會(huì)向有利于變形的方向拉長，使得高溫時(shí)奧氏體晶粒取向相同，形成了具有明顯方向性的帶狀組織。由于帶狀組織相鄰帶的組織不同，鐵素體和珠光體之間存在較大的力學(xué)性能差異，隨著帶狀組織程度的加重，使得材料在低溫下塑韌性變差的現(xiàn)象暴露出來。

2.2拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

對不同等級帶狀組織的縱、橫向試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其力學(xué)性能隨帶狀等級的變化分別如表1與表2所示。

表1　不同帶狀等級縱向試樣的力學(xué)性能

表1是不同帶狀等級縱向試樣的力學(xué)性能。分析表1中數(shù)據(jù)可以得出隨帶狀組織級別的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率都有所降低，但是變化的幅度較小。

表2所示為不同帶狀級別橫向試樣的力學(xué)性能。同樣是隨帶狀組織級別的增加而小幅度降低?？梢钥闯?，帶狀組織對橫向試樣在室溫下拉伸性能影響不明顯。根據(jù)GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度鋼》的規(guī)定，橫、縱向試樣的的各項(xiàng)拉伸性能均符合要求。

由于帶狀組織的存在，鐵素體-珠光體帶之間由于相鄰組織不同而存在應(yīng)力集中。隨帶狀組織嚴(yán)重性的增加，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均有下降的趨勢，但是下降幅度較小，且都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸性能。而縱向和橫向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，帶狀組織的方向性對材料的拉伸性能影響不明顯。

3結(jié)論

(1)在-50℃時(shí)，沖擊韌性隨帶狀組織級別的增加而顯著降低，橫向試樣沖擊吸收功明顯低于縱向試樣，橫向試樣的塑性明顯要低于縱向試樣。

(2)與無帶狀組織材料相比，帶狀組織材料的拉伸性能雖有下降，但幅值不大，且橫、縱向試樣的拉伸性能沒有明顯區(qū)別。

參考文獻(xiàn)

[1]中國機(jī)械工程協(xié)會(huì)熱處理協(xié)會(huì)編. 熱處理手冊第四版[M]：第二卷典型零件熱處理. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[2]江利, 孫智, 吳玉萍，等. 現(xiàn)代金屬材料[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2000.

[3]李長龍, 陳言俊, 梁如國，等. Q345鋼在低溫下的力學(xué)性能研究[J]. 山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003, 18(1): 82-84.

[4]齊建軍, 李紹杰, 趙春風(fēng). 微合金元素對Q345E棒材低溫韌性的影響[J]. 熱加工工藝, 2009, 38(10): 80-83.

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《大型鑄鍛件》稿約

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《大型鑄鍛件》編輯部

Influence of Banded Structure on Mechanical Property of Q345E Steel

Gao Xiao, Yang Renjie, Li Yingjie, Zhang Xiuzhi

Abstract：Taking Q345E steel used for wind power flange, the influence of banded structure on the tensile property and the low temperature impact property of the longitudinal and horizontal samples of Q345E steel have been studied. It turned out that the banded structure was more serious, the low temperature impact property of material was poorer. Meanwhile, the impact property of horizontal sample was lower than the impact property of longitudinal sample obviously. Although there was an influence of banded structure on the tensile property of material, the degree of effect was less. The influence of sampling positions on the tensile property was not obvious.

Key words：Q345E; wind power flange; banded structure; mechanical property

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基金項(xiàng)目：太原市科技資助項(xiàng)目(120224)。

收稿日期：2015—09—29

中圖分類號：TG115.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A