王云川

（攀鋼西昌鋼釩有限公司制造部，四川 西昌 615000）

近年來，高強度鋼材在國內(nèi)外的實際工程中獲得了越來越多的應用，如中央電視臺新臺址大樓就采用了690MPa的高強度鋼材，澳大利亞悉尼的Grosvenor place大樓也是采用的高強度鋼材，日本橫濱的Landmark Tower大廈也采用了600MPa的鋼材。伴隨著我國冶金裝備和冶金技術(shù)的不斷提升，在鋼材微合金化和軋制控制技術(shù)的基礎上，通過結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化、鋼材基體的強化、細晶強化以及熔體凈化等的共同作用，推進了新型的高強度、高性能的鋼材研發(fā)與應用。目前國家標準GB/T1591-2008中較為常用的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼為Q345、Q390、Q420 以及Q460 等。由于我國有大部分區(qū)域處于較為寒冷的地區(qū)，尤其是在氣候變化較為異常的情況下，常常受到寒潮的侵襲，而低溫則較為容易降低結(jié)構(gòu)鋼材的韌性，因此，低溫脆性對于高強度鋼材來說是不容忽視的問題。本文主要對結(jié)構(gòu)用的高強度鋼在低溫條件下的沖擊韌性開展試驗研究，以期獲得鋼材的沖擊功值Akv與溫度之間的變化規(guī)律，同時將該鋼材的沖擊功值Akv與Q345鋼的沖擊功值Akv進行對比，以得到?jīng)_擊功值Akv和強度、低溫等方面的規(guī)律，同時也為研究斷裂韌性和沖擊韌性兩者之間的關(guān)系提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗目的

此次沖擊韌性試驗主要依據(jù)國家標準GB/T 229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法來開展試驗。所選擇的溫度范圍是-60～20℃，間距為20℃，共5個溫度點。在每個溫度點上則選用3個平行試樣，具體的試樣分組以及標識見表1。試驗所使用的試樣為V型缺口的樣品，檢測各溫度點的沖擊功大小，獲得沖擊功大小與溫度之間的變化規(guī)律，進而研究韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而給鋼材的結(jié)構(gòu)設計提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 高強度鋼材的低溫沖擊功值

1.2 試驗用材、尺寸及其設備

試驗所選用的是控軋態(tài)的10mm厚的鋼板，同時其技術(shù)指標均滿足國家標準GB/T1591-2008低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的要求，其化學成分見表2。試樣依照相關(guān)的標準尺寸進行制作，要求試樣缺口底部要保持光滑，同時要注意試樣在加工過程中因加工硬化或者加熱過高而導致試樣的沖擊性能受到影響。

由于所檢測的是縱向沖擊功，因此試樣的缺口方向要與鋼板的軋向一致。試驗主要在SANS擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行，在進行沖擊試驗前，應把試樣放置在保溫箱中進行冷卻，冷卻液選用的是液氮和酒精的混合液體。

表2 強度結(jié)構(gòu)用鋼材的化學成分

2 試驗結(jié)果

圖1為高強度鋼材的沖擊韌性與溫度之間的變化關(guān)系圖。由于高強度鋼材的沖擊功值與溫度相關(guān)，通常伴隨溫度的變化而發(fā)生變化，相應的韌性值也會發(fā)生變化，因此，在進行沖擊試驗時應在規(guī)定的溫度下開展試驗，高強度鋼材隨溫度改變的沖擊試驗數(shù)據(jù)見表1。為了更直接的觀察到高強度鋼材的低溫沖擊韌性值，特將表1中的V型缺口沖擊功值的數(shù)據(jù)制成沖擊吸收能量與溫度之間的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 高強度鋼材的沖擊韌性與溫度之間的變化關(guān)系圖

由圖1可知，隨著溫度的下降，高強度鋼材的沖擊功值則快速下降，表現(xiàn)出的低溫脆性特征較為顯著。比較-60℃和20℃時的沖擊功值Akv可知，其值從20℃到-60℃時下降了62．11%，由此可知，高強度鋼材在低溫時則相當敏感。而相關(guān)的國家標準中規(guī)定，該類型的高強度鋼材的縱向沖擊功值Akv在幾個溫度（0℃、-20℃和-40℃）下都不小于34J。然而根據(jù)表1的結(jié)果，此次試驗所獲得的高強度鋼材在-20℃及以下溫度時的沖擊功值Akv并未滿足標準的規(guī)定。因此，在對結(jié)構(gòu)用鋼進行設計時，要考慮相關(guān)的預防低溫脆性的方案。

試驗還進行了進一步的驗證，如將該高強度鋼材與Q345鋼不同厚度的沖擊功值Akv進行比較，可知，高強度鋼材的斷裂韌性除了與厚度相關(guān)外，同時還與強度存在著一定的聯(lián)系。比較10mm厚的高強度鋼材和14mm、18mm、22mm和24mm厚的Q345鋼沖擊功值Akv，其結(jié)果見圖2。由圖2可知，在20～-20℃這一區(qū)間，10mm厚的高強度鋼材的沖擊功值Akv均比14mm、18mm、22mm和24mm厚的Q345鋼沖擊功值Akv低，其順序為24mm→22mm→18mm→14mm。然而在-20～-60℃這一區(qū)間內(nèi)，在-60℃時，10mm厚的高強度鋼材的沖擊功值Akv均高于不同厚度的Q345鋼的沖擊功值Akv。在-40℃時，10mm厚的高強度鋼材的沖擊功值Akv則介于厚度24mm、22mm和厚度18mm、14mm之間。通過分析結(jié)果可知，高強度結(jié)構(gòu)用鋼材的厚度和強度對低溫沖擊韌性存在著一定的影響因素，當溫度低于-20℃時，該高強度鋼材與Q345鋼進行比較，其低溫脆性對厚度的影響更為顯著一些。

圖2 高強度鋼材與Q345鋼不同厚度的沖擊功值Akv

通常情況下，工程上將韌脆轉(zhuǎn)變溫度看成是預防斷裂的關(guān)鍵的判斷依據(jù)。然而一般情況下，試驗數(shù)據(jù)的離散性都比較大，通常采用合適的函數(shù)來擬合沖擊功值與溫度的曲線。眾多的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，借助Boltzmann 函數(shù)來回歸分析沖擊功值與溫度的變化情況則較為合理，其殘差較小，且具有很好的相關(guān)性。

其中Akv為沖擊功值，T為溫度，A2為上平臺能，A1為下平臺能，x0為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，Δx則為轉(zhuǎn)為溫度區(qū)的溫度范圍，Δx越小，表現(xiàn)出來則是鋼材從塑性向脆性轉(zhuǎn)變較為容易。

將高強度鋼材的沖擊功值Akv與不同厚度的Q345鋼的沖擊功值Akv進行Boltzmann 函數(shù)擬合，其所獲得的擬合結(jié)果見圖4。其中較為詳細的高強度鋼材的Boltzmann擬合參數(shù)見表3。通過表3和圖4的結(jié)果可知，10mm厚的高強鋼材和4種規(guī)格厚度的Q345鋼進行對比，高強度鋼材的上平臺能則是最低的，同時韌脆轉(zhuǎn)變溫度值也最高，從而可以說明該高強度鋼材對低溫相對較為敏感。

表3 高強度鋼材的Boltzmann函數(shù)的擬合參數(shù)

圖4 高強度鋼材沖擊功值Boltzmann擬合參數(shù)和不同厚度的Q345鋼比較

3 結(jié)語

通過試驗結(jié)果可知，隨著溫度的逐漸下降，高強度鋼材的沖擊功值會逐漸下降，且下降幅度較為迅速，從而沖擊韌性會惡化。當前試驗所使用的高強度鋼材，其在10mm厚時的沖擊功值Akv在一定溫度下，并沒有滿足當前我國國家標準規(guī)定的規(guī)定值34J的要求，因此，需要對該鋼材的化學成分以及加工工藝進行必要的優(yōu)化與調(diào)整。通過Boltzmann 函數(shù)對高強度鋼材進行擬合分析，其相關(guān)性較好，擬合結(jié)果顯示，其上下平臺能均很小，其韌脆轉(zhuǎn)變的溫度點約在零下10．9℃，其轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的溫度期間大約是3．4℃。通過理論計算結(jié)果表明，該高強度鋼材在-10．9℃這樣的低溫環(huán)境下，易于發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。通過試驗結(jié)果還可知，高強度鋼材的斷裂韌性除了與厚度有關(guān)聯(lián)外，與強度也存在相應的聯(lián)系，當溫度處于-20℃時，高強度鋼材的強度對低溫脆性的作用的影響程度并未有Q345 鋼材的厚度對其低溫脆性的影響程度顯著。

參考文獻：

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