G20Mn5懸索橋索夾用鑄鋼調(diào)質(zhì)性能研究

蘇蘭 石紅昌 黃安明 陳龍

(德陽(yáng)天元重工股份有限公司技術(shù)部，四川 德陽(yáng) 618000)

懸索橋造型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)受力合理，跨越能力強(qiáng)，是跨越寬闊水域和深切峽谷的最理想橋型之一，索夾是懸索橋上部懸吊系統(tǒng)關(guān)鍵的受力部件，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)吊索將橋梁所承受的橋梁自重載荷和橋面所受載荷傳遞給主纜[1-2]。

目前，懸索橋的索夾通常采用一體鑄造成形，鑄件結(jié)構(gòu)具有外形美觀、應(yīng)力傳導(dǎo)性好、能保證工程質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，解決了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工難度大的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)懸索橋的索夾通常選用ZG20Mn，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定調(diào)質(zhì)屈服強(qiáng)度ReH≥300 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為500～650 MPa，常溫沖擊韌性KV2≥45 J[3]。目前，隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，中國(guó)規(guī)劃了多座主跨度超過(guò)2000 m的懸索橋，為了適應(yīng)2000 m以上跨度懸索橋的巨大載荷，同時(shí)不能無(wú)限加大索夾的外形尺寸，并且根據(jù)橋位所處的環(huán)境需求，有些需要索夾滿(mǎn)足低溫沖擊韌性要求，因此需要研究新型鑄鋼材料[4]來(lái)滿(mǎn)足既可承受大跨度懸索橋的巨大載荷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其材料制作的索夾重量輕型化并滿(mǎn)足低溫韌性的目的。本文以歐洲懸索橋索夾常用的低合金鑄鋼G20Mn5為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，并分析其組織及力學(xué)性能[5-11]，從而為確定索夾用鋼G20Mn5的熱處理工藝提供試驗(yàn)依據(jù)，為G20Mn5在大跨度懸索橋索夾中的應(yīng)用提供試驗(yàn)及理論支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用材料為G20Mn5鑄鋼，其尺寸為100 mm×300 mm×300 mm。鋼板的實(shí)測(cè)化學(xué)成分及EN 10293-2015對(duì)G20Mn5化學(xué)成分的要求如表1所示。從表1可以看出，本試驗(yàn)所采用的G20Mn5鑄鋼的化學(xué)成分完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 G20Mn5的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求及實(shí)測(cè)值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition standard requirements and measured values of G20Mn5 (mass fraction,%)

1.2 調(diào)質(zhì)處理

調(diào)質(zhì)處理是指對(duì)淬火后的金屬進(jìn)行高溫回火的熱處理工藝，其目的是使工件具有良好的綜合力學(xué)性能。本試驗(yàn)采用的調(diào)質(zhì)處理工藝為920℃淬火+660℃回火。具體過(guò)程為：試樣被加熱至920℃后，保溫3 h使之完全奧氏體化，然后水冷淬火。隨后試樣被再次加熱至660℃，保溫6 h后空冷。

1.3 性能測(cè)定

索夾的試塊及鑄件本身要求遵守EN 1559-1:2011及EN 1559-2:2014鑄造技術(shù)交貨條件。按照EN 1559-2:2014的要求，當(dāng)相關(guān)壁厚超過(guò)56 mm時(shí)，試塊尺寸應(yīng)采用t×3t×3t，其中t為相關(guān)壁厚。由于索夾相關(guān)壁厚為t=100 mm，因此確定索夾試塊尺寸為100 mm×300 mm×300 mm。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試的樣品應(yīng)該在距表面1/4處取樣，具體取樣位置見(jiàn)圖1。

圖1 力學(xué)性能試樣取樣位置圖Figure 1 Sampling location for mechanical properties test

利用WDE-300萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣為?10 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，標(biāo)距為50 mm。

采用JB-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口深度2 mm。

采用MHVD-1000IS型顯微硬度計(jì)對(duì)試樣不同微區(qū)的顯微硬度進(jìn)行測(cè)定，載荷為300 g。

1.4 微觀組織觀察

在經(jīng)過(guò)沖擊試驗(yàn)的樣品上取下尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣。經(jīng)磨光、拋光后，一組用濃度為3%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。腐蝕試樣經(jīng)沖洗和吹干后，采用徠卡DMi8型倒置金相顯微鏡和SU8010場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的微觀組織進(jìn)行觀察，另一組放入馬弗爐中加熱到890℃，保溫1 h，取出后放入冷水中淬火，然后再次拋光后進(jìn)行沖洗和吹干，采用徠卡DMi8型倒置金相顯微鏡對(duì)試樣的奧氏體晶粒度進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織

金屬的內(nèi)部組織是決定其力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，為了探究G20Mn5鑄鋼調(diào)質(zhì)性能，首先使用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行了顯微組織觀察，圖2為G20Mn5鑄鋼的金相組織照片。通過(guò)圖2(a)、(b)可以看出，G20Mn5鑄鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，內(nèi)部組織并不完全均勻，基體上分布著黑色網(wǎng)狀組織。對(duì)其進(jìn)行放大觀察，可見(jiàn)其為片層狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2(c)。結(jié)合試樣成分和熱處理工藝可以判定該組織為回火托氏體。從其SEM圖片圖3(a)可以看出，回火托氏體中含有大量細(xì)小的粒狀碳化物，其呈斷續(xù)的板條狀分布在基體上?；鼗鹜惺象w整體呈網(wǎng)狀分布，說(shuō)明試樣內(nèi)部存在較為嚴(yán)重的偏析[12]，這是鑄件中較為常見(jiàn)的現(xiàn)象。在回火托氏體網(wǎng)內(nèi)的區(qū)域，貝氏體為主要組織，同時(shí)還可以觀察到少量鐵素體，如圖2(d)所示。和回火托氏體相比，貝氏體中的碳化物數(shù)量明顯減小，因此顯得更為粗大，見(jiàn)圖3(b)。G20Mn5鑄鋼中C及其它合金元素的含量較低，因此過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性較差，從而容易導(dǎo)致貝氏體、鐵素體等中高溫組織在淬火過(guò)程中出現(xiàn)。這在圖2和圖3中得到了證明。

(a)(b)(c)(d)

(a)回火托氏體(b)貝氏體

金屬的晶粒大小對(duì)金屬的許多性能有很大影響，圖4是G20Mn5的奧氏體晶粒度照片，根據(jù)金相顯微鏡分析軟件進(jìn)行晶粒度分析[13]，結(jié)果顯示試樣晶粒度8.5級(jí)約占70%，5.5級(jí)約占30%。該結(jié)果表明，G20Mn5懸索橋索夾用調(diào)質(zhì)鑄鋼的晶粒較細(xì)，應(yīng)該具有較高的抗拉強(qiáng)度，并且晶界所占相對(duì)面積大，可以有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及晶間相對(duì)滑移，從而提高材料斷裂所需要的應(yīng)力。

(a)

2.2 顯微硬度

由于G20Mn5在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的偏析并未在調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中消除，因此導(dǎo)致了組織的不均勻性。通過(guò)對(duì)試樣中不同微區(qū)進(jìn)行顯微硬度測(cè)定發(fā)現(xiàn)，貝氏體和回火托氏體之間存在較大的硬度差。圖5是不同組織的顯微硬度壓痕。從圖中可以看出，在相同載荷下，貝氏體區(qū)的壓痕尺寸要明顯大于回火托氏體區(qū)，這說(shuō)明回火托氏體具有更高的硬度值。表2列出了不同微區(qū)的顯微硬度，結(jié)果顯示貝氏體區(qū)的平均顯微硬度為171.8HV0.3，而回火托氏體區(qū)的硬度值則達(dá)到了244.3HV0.3?；鼗鹜惺象w具有更為細(xì)密的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部存在的大量細(xì)小碳化物是提高其硬度的一個(gè)重要原因。

(a)貝氏體區(qū)

2.3 強(qiáng)度及韌塑性

強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及沖擊韌性是G20Mn5懸索橋索夾鑄鋼在實(shí)際使用中最重要的性能，均須滿(mǎn)足要求，才能保證結(jié)構(gòu)的可靠與穩(wěn)定性。因此，按照標(biāo)準(zhǔn)EN 10293:2015的要求對(duì)試樣力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)定。表3列出了G20Mn5鑄鋼各項(xiàng)拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)測(cè)值。從表中可以看出，G20Mn5鑄鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其屈服強(qiáng)度Rp0.2達(dá)到了438.28 MPa，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)下限規(guī)定的300 MPa；抗拉強(qiáng)度Rm則為582.89 MPa，處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)；斷后伸長(zhǎng)率A為22.5%，略高于標(biāo)準(zhǔn)要求的22%。

表2 不同微區(qū)的顯微硬度(HV0.3)Table 2 Microhardness of different microareas(HV0.3)

表3 拉伸性能Table 3 Tensile properties

低溫容易引起脆性斷裂。為了保證懸索橋索夾的安全性，按照標(biāo)準(zhǔn)要求需要測(cè)定G20Mn5鑄鋼在-40℃時(shí)的沖擊吸收能量，并要求平均值不小于27 J且單個(gè)試樣沖擊吸收能量不低于標(biāo)準(zhǔn)平均值的70%，即18.9 J。表4列出G20Mn5在-40℃下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，被測(cè)試樣的最低沖擊吸收能量為27 J，平均值則為34 J。因此無(wú)論是平均值，還是單測(cè)值均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 -40℃低溫沖擊吸收能量(單位：J)Table 4 Low temperature impact absorption energyat -40℃(unit: J)

對(duì)G20Mn5沖擊斷口形貌進(jìn)行觀察，其SEM照片如圖6所示。根據(jù)斷口形貌可以斷定其斷裂類(lèi)型屬于準(zhǔn)解理斷裂，裂紋源可以被清楚地觀察到。在起裂位置以及其它部位都可以觀察到夾雜物。對(duì)其進(jìn)行能譜分析(見(jiàn)圖7)發(fā)現(xiàn)，其含有較多的Ce元素，根據(jù)鑄鋼的冶煉工藝斷定其主要成分為稀土氧化物CeO2。此外，在裂紋源附近還可觀察到疏松等鑄造缺陷。

圖6 沖擊斷口形貌Figure 6 Impact fracture morphology

圖7 夾雜物能譜分析Figure 7 Energy spectrum analysis of inclusions

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，G20Mn5鑄鋼的強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率以及沖擊韌性均滿(mǎn)足懸索橋索夾標(biāo)準(zhǔn)使用要求。這充分說(shuō)明G20Mn5鑄鋼可用于懸索橋索夾的制造，同時(shí)本文所制定的調(diào)質(zhì)工藝可以作為實(shí)際熱處理工藝用于生產(chǎn)。

3 結(jié)論

(1)G20Mn5經(jīng)960℃(保溫3 h)淬火+660℃(保溫6 h)回火后的組織為貝氏體、回火托氏體和少量鐵素體。

(2)G20Mn5鑄鋼中存在較為嚴(yán)重的偏析，進(jìn)而導(dǎo)致回火托氏體呈網(wǎng)狀出現(xiàn)?；鼗鹜惺象w的顯微硬度明顯高于貝氏體。

(3)G20Mn5鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的各項(xiàng)力學(xué)性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，-40℃沖擊吸收能量滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)≥27 J的要求，可用于大跨度低溫環(huán)境懸索橋索夾的制造。