懸索橋索夾用材ZG20Mn性能研究

李　琴　黃安明　陳遠(yuǎn)林

(德陽天元重工股份有限公司，四川618000)

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懸索橋索夾用材ZG20Mn性能研究

李琴黃安明陳遠(yuǎn)林

(德陽天元重工股份有限公司，四川618000)

利用光學(xué)顯微鏡、光譜分析儀、力學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī)和半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)研究了懸索橋索夾常用材料ZG20Mn在不同熱處理方式下的顯微組織、常溫力學(xué)性能和抗低溫沖擊性能。研究結(jié)果表明：經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的ZG20Mn不僅可以提高索夾的常溫綜合力學(xué)性能，還可明顯改善索夾的抗低溫沖擊韌性，為在不同環(huán)境溫度條件下選擇合理的熱處理工藝方案提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

懸索橋；索夾；ZG20Mn；顯微組織；力學(xué)性能

索夾作為懸索橋關(guān)鍵的上部核心受力部件，其作用是將吊索和主纜聯(lián)接在一起，將吊索承載的橋梁自重載荷和橋面載荷傳遞給主纜。懸索橋索夾的結(jié)構(gòu)類型分為騎跨式和銷接式兩大類，而銷接式索夾又可分為上下半銷接式和左右半銷接式。兩類結(jié)構(gòu)索夾最后在安裝時(shí)，都是通過高強(qiáng)度螺栓將兩半鎖合抱緊在主纜上(圖1)。成橋后，索夾在服役的過程中，當(dāng)橋面載荷發(fā)生明顯波動(dòng)時(shí)，由吊索傳遞給索夾的作用力，將會(huì)使索夾受到反復(fù)的沖擊作用。特別是對(duì)于銷接式索夾下半塊耳板部位，這種反復(fù)沖擊作用的影響更加直接和明顯。

我國幅員遼闊，目前建設(shè)的懸索橋無論是分布在北邊高寒地區(qū)還是分布在南邊熱帶地區(qū)(或者是國內(nèi)的“火爐”地區(qū))，索夾大都是使用同種材料以及相同的熱處理要求，但不同地域之間的環(huán)境極端溫度相差可達(dá)八九十度。在不同的環(huán)境溫度下，索夾材料的抗沖擊能力不同。因此，為了保證懸索橋的使用安全，研究索夾鑄鋼材料的力學(xué)性能特別是抗低溫性能具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

ZG20Mn鋼屬鑄造低合金鋼，該鋼種材料含碳量低，比較適合鑄造生產(chǎn)[1]，且具有良好的力學(xué)性能，材料的可焊性好，易于機(jī)械加工等?；谝陨蟽?yōu)越性能，目前國內(nèi)懸索橋索夾通常采用鑄鋼ZG20Mn材料來制作索夾本體。ZG20Mn鋼熱處理工藝通常為正火+回火或調(diào)質(zhì)處理[2]，這兩種熱處理工藝的低溫沖擊性能目前均沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但低溫沖擊性能的優(yōu)劣直接關(guān)乎索夾的低溫脆性問題。

(a)騎跨式　　　　　　　　　　(b)左右半銷接式　　　　(c)上下半銷接式

綜上所述，本文旨在通過研究ZG20Mn鋼在不同熱處理方式下的常溫力學(xué)性能及抗低溫沖擊性能，探索該鋼種材料的索夾應(yīng)用在不同環(huán)境條件下時(shí)應(yīng)該選取的熱處理方案，從而提高索夾的綜合力學(xué)性能以滿足使用要求，更好地保障懸索橋的使用安全。

1　試驗(yàn)

1.1試樣制備

在進(jìn)行某大橋索夾生產(chǎn)的過程中，對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下的ZG20Mn進(jìn)行了室溫力學(xué)性能和抗低溫沖擊性能的研究。

某大橋索夾鑄造所用原材料為精選廢鋼和含有不同合金元素的其它金屬及合金，如硅鐵、錳鐵等。鋼水熔煉充分爐溫達(dá)1 600℃時(shí)出爐，轉(zhuǎn)入鋼包后進(jìn)行吹氬精煉、拔渣，靜置2 min～3 min，待溫度降至1 570℃左右時(shí)澆注到預(yù)先制備好的砂型中。鑄件在砂型中進(jìn)行保溫冷卻，然后開箱、落砂清理。選取不同爐號(hào)的6件索夾毛坯鑄件，每個(gè)鑄件切取1件附鑄試塊用于試驗(yàn)，試驗(yàn)用附鑄試塊的尺寸為40 mm×40 mm×260 mm。將6件試塊分為兩組，分別編號(hào)為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3(圖2)。

按JB/T 6402—2006，ZG20Mn化學(xué)成分和力學(xué)性能要求分別見表1和表2。

采用GS-1000直讀光譜分析儀對(duì)Ⅰ組試樣和Ⅱ組試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。用蔡康DMM-480C光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。室溫拉伸試樣采用?10 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，拉伸、沖擊試樣的尺寸如圖3所示。在WDE-300電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm/min，在JB-300B半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每件試塊取3個(gè)試樣求平均值。采用HB-3000B-1硬度儀測(cè)量布氏硬度，載荷為7 350 N，加載時(shí)間15 s，每個(gè)樣品測(cè)10個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值。

1.2熱處理試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中Ⅰ組試樣進(jìn)行奧氏體化后空冷+高溫回火熱處理，Ⅱ組試樣進(jìn)行奧氏體化后水冷+高溫回火熱處理(調(diào)質(zhì)處理)，其工藝曲線見圖4。

(a)鑄件毛坯

(b)附鑄試塊

表1　ZG20Mn的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　ZG20Mn的力學(xué)性能要求

ZG20Mn鑄鋼件奧氏體化溫度宜選取920℃±10℃。溫度過低會(huì)使奧氏體化不完全，導(dǎo)致部分鐵素體保留，嚴(yán)重影響鑄件熱處理組織及性能。溫度過高，保溫時(shí)間過長則會(huì)引起奧氏體晶粒粗化，由細(xì)晶強(qiáng)化理論可知，粗大晶粒會(huì)降低材料的強(qiáng)度及塑韌性。

圖3　拉伸試樣和沖擊試樣尺寸圖

(a)奧氏體化后空冷+高溫回火

(b)奧氏體化后水冷+高溫回火

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1化學(xué)成分

在試塊熱處理前進(jìn)行材料化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯瑑山M試樣的化學(xué)成分均控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2.2顯微組織

圖5～圖7為Ⅰ組試樣和Ⅱ組試樣經(jīng)不同熱處理后的光學(xué)顯微組織。通過分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ組試樣經(jīng)920℃奧氏體化后空冷+610℃回火后的顯微組織為鐵素體+珠光體，其中灰白色細(xì)小晶粒為鐵素體，黑色塊狀為珠光體，因放大倍數(shù)較低，珠光體中的層狀結(jié)構(gòu)未能清晰顯示出來，故呈黑色塊狀。Ⅱ組試樣不同厚度區(qū)域經(jīng)920℃奧氏體化后水冷的顯微組織在試樣離表面1/3處為馬氏體+少量殘余奧氏體，而在試樣心部由于冷卻速度減小，出現(xiàn)少量貝氏體組織。水冷后高溫回火，馬氏體組織轉(zhuǎn)變由M→M′+ε碳化物→α相+細(xì)粒狀Fe3C，隨著溫度的升高，保溫時(shí)間的延長，細(xì)粒狀Fe3C長大，最終組織為α相+粗大Fe3C，即回火索氏體。殘余奧氏體組織轉(zhuǎn)變由A′→α相+ε碳化物，隨著溫度的升高，α相發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，溫度大于600℃后，結(jié)晶完成，轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀α相。

表3　試塊的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3力學(xué)性能

2.3.1常溫力學(xué)性能

改善材料力學(xué)性能的方法有諸多方面，其中通過相變熱處理改善組織是提高金屬材料力學(xué)性能的重要措施。兩組試塊經(jīng)不同方式熱處理后，分別取試樣檢測(cè)其力學(xué)性能，如表4所示?？梢钥闯觯瑑山M試樣的檢測(cè)結(jié)果均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求。

(a)100×

(b)500×

(a)距表面1/3處

(b)心部

對(duì)比可知，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的Ⅱ組試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率均高于Ⅰ組試樣，硬度值兩組數(shù)值差別不大。常溫沖擊功Ⅰ組試樣平均63 J，Ⅱ組試樣平均98 J。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，Ⅱ組試樣不僅具有良好的常溫沖擊韌性，而且其常溫綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于Ⅰ組試樣。

(a)100×

(b)500×

2.3.2低溫沖擊韌性

鑄件在低溫時(shí)強(qiáng)度普遍增加，而塑性和韌性下降，并對(duì)缺口的敏感性增大，易引起低溫脆斷。因此，鑄件的低溫力學(xué)性能常用低溫沖擊韌性表示[3]。JB/T 6402—2006中的沖擊功為室溫沖擊值，對(duì)低溫沖擊性能未作要求。在國外懸索橋項(xiàng)目資料中，發(fā)現(xiàn)多數(shù)用于索夾的鑄鋼件的材料標(biāo)準(zhǔn)中幾乎都規(guī)定有低溫條件下的沖擊功指標(biāo)，參考國外索夾鑄鋼件檢測(cè)低溫沖擊指標(biāo)的溫度，確定對(duì)不同熱處理工藝下的ZG20Mn材料進(jìn)行常溫、-20℃和-40℃三種溫度條件下沖擊功測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4。

對(duì)比兩種熱處理工藝試樣的低溫沖擊值可以看出，兩組試樣的沖擊功指標(biāo)均隨溫度的下降而降低，但經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的Ⅱ組試樣的低溫性能指標(biāo)優(yōu)于Ⅰ組試樣。在-20℃時(shí)Ⅱ組沖擊功平均值為77.7 J，約是Ⅰ組試樣的1.7倍。在-40℃時(shí)Ⅱ組沖擊功平均值為55 J，是Ⅰ組試樣的2倍。

一些國外懸索橋索夾采用的歐標(biāo)鑄鋼件G20Mn5材料，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10293：2005中對(duì)材料G20Mn5的-40℃沖擊功要求不小于27J，可以看出，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的Ⅱ組試樣的低溫性能指標(biāo)可以達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求。從試驗(yàn)結(jié)果看出，如果對(duì)ZG20Mn鋼選用調(diào)質(zhì)處理，不但可以使索夾滿足相關(guān)強(qiáng)度計(jì)算要求，還使索夾具備了良好的抗低溫沖擊性能，即鑄件的強(qiáng)度和塑韌性獲得良好的搭配，可以確保這種材料的索夾在嚴(yán)寒氣候環(huán)境條件下的安全使用。

表4?、窠M試樣和Ⅱ組試樣的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2.4結(jié)果分析

Ⅰ組試驗(yàn)方案熱處理實(shí)質(zhì)是完全奧氏體化加偽共析轉(zhuǎn)變，因此組織中鐵素體數(shù)量較少，珠光體組織較細(xì)，鋼的強(qiáng)度、硬度較高[4]。再經(jīng)回火爐冷的主要目的是消除工件內(nèi)應(yīng)力，所以最終組織仍為鐵素體+珠光體。

Ⅱ組試驗(yàn)方案奧氏體化后水冷是為了獲得馬氏體組織，馬氏體和殘余奧氏體均為不穩(wěn)定相，在常溫狀態(tài)下易發(fā)生轉(zhuǎn)變，故會(huì)引起工件形狀、尺寸及組織變化。因此，水冷后需立即回火處理，以保證組織轉(zhuǎn)變，使壓穩(wěn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，同時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力，以滿足工件的各項(xiàng)性能要求[5]。另外，回火后采用冷卻速度較快的空冷以避免回火脆性的產(chǎn)生。

內(nèi)部組織決定其力學(xué)性能，兩組試樣經(jīng)不同熱處理后，最終組織不同導(dǎo)致力學(xué)性能各異，特別是低溫沖擊功。由于Ⅰ組試樣中單獨(dú)存在體心立方的鐵素體，其在低溫條件下會(huì)發(fā)生脆化現(xiàn)象[6]，因此，會(huì)提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，惡化鋼的低溫沖擊韌性。另外，Ⅰ組試樣內(nèi)部組織是由過冷奧氏體直接分解得到的，其中碳化物呈片狀分布，由于片狀碳化物在受力時(shí)會(huì)使基體產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，易使碳化物脆斷或形成微裂紋，減弱基體強(qiáng)度及塑韌性。而Ⅱ組試樣熱處理后的組織以回火索氏體為主，其也是鐵素體和碳化物組成的機(jī)械混合物，這里的鐵素體是過冷奧氏體通過晶格切變形成的，且呈顆粒狀分布，根據(jù)最小能量原理，粒狀碳化物造成的應(yīng)力集中小，不易產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)，還對(duì)基體起到固溶強(qiáng)化作用，使基體的強(qiáng)度、塑韌性均得到改善。

3　結(jié)論

在氣候適宜常年氣溫保持在0℃以上的地區(qū)，對(duì)索夾材料規(guī)定采取正火+回火的方案是合適的，因?yàn)閆G20Mn合金元素含量低，在保證索夾強(qiáng)度滿足使用要求的前提下，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好。然而對(duì)于氣候環(huán)境較差，冬季較長且平均氣溫在0℃以下的寒冷地區(qū)，應(yīng)特別考慮索夾材料的低溫沖擊韌性。對(duì)于ZG20Mn鋼采用調(diào)質(zhì)方案進(jìn)行熱處理，可獲得綜合性能良好且較正回火抗低溫沖擊功性能更高的鑄件。因此，在設(shè)計(jì)階段確定索夾的技術(shù)要求時(shí)，不可忽略項(xiàng)目所在地氣候環(huán)境的影響因素，索夾在不同環(huán)境條件下使用應(yīng)采用不同的制造工藝方案，甚至選用具有更高性能要求的材料牌號(hào)以適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件，從而確保索夾產(chǎn)品在使用中的安全可靠，保障整座橋梁的運(yùn)營安全。

[1]沈猛，鐵金艷，章舟.鑄鋼生產(chǎn)使用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工藝出版社，2013.

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編輯杜青泉

Study on Properties of ZG20Mn Used for Cable Clamp of Suspension Bridge

Li Qin, Huang An′ming, Chen Yuanlin

By adopting the optical microscopes, the optical spectrum analyzer, the universal mechanical property testing machine and the semi-automatic impact testing machine, the microstructure, the mechanical properties at room temperature and the low-temperature resistance impact property of ZG20Mn used for cable clamp of suspension bridge with different heat treatment processes have been studied. The results show that after quenching and tempering process, not only the comprehensive mechanical properties of cable clamp can be improved, but also the low-temperature resistance impact toughness of cable clamp can be improved obviously, so as to provide the design reference data to choose the reasonable heat treatment process under different ambient temperatures.

suspension bridge; cable clamp; ZG20Mn; microstructure; mechanical property

2016—03—10

李琴(1987—)，女，碩士，助理工程師，從事懸索橋上部核心受力部件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

TG156

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