S355、Q345D的低溫力學性能

蘆 琳 李周波

(1國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任公司鋼管研究院 寶雞 721008)

S355、Q345D的低溫力學性能

蘆 琳1，2李周波1，2

(1國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任公司鋼管研究院 寶雞 721008)

以S355、Q345D為對象，研究了兩種材料自室溫至-100℃溫度范圍內(nèi)的力學性能及斷裂機制。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;屈服強度、抗拉強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。由于試驗材料塑性很好產(chǎn)生缺口強化效應，使得缺口材料的抗拉強度高于光滑試樣。從微觀機制上看，隨著溫度的降低，材料的微觀斷口形貌由韌窩狀逐步轉(zhuǎn)化為準解理。

低溫 斷裂韌性 斷口形貌

1 引言

S355、Q345D兩種低合金高強鋼均具有很好的綜合力學性能，并且廣泛的應用于橋梁、船舶、電站、鍋爐、壓力容器、石油儲罐、起重運輸機械等各個方面。在國家大力號召使用清潔能源的情況下，風力發(fā)電逐漸被人們關(guān)注［1］。目前中國國內(nèi)有大小風電場近百家，主要分布在三北地區(qū)和東南沿海，三北地區(qū)以內(nèi)蒙古和東北三省等省份分布較為密集［2］。這些地區(qū)的共同特點就是冬季氣溫比較低，最低溫度可達-30℃以下。低溫下機組的運行工況、零部件的性能以及機組的可維護性等方面會發(fā)生相應的變化，可能會造成風電機組超出原始設(shè)計的允許范圍，情況嚴重時還可能會引發(fā)嚴重的安全事故［3］。而 S355、Q345D兩種合金是風力發(fā)電機塔筒部分的主要用材，所以對于這種鋼材的低溫力學性能的研究對生產(chǎn)實際具有重要的意義。

2 實驗材料與方法

本試驗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。試驗中研究的兩種鋼鐵材料S355、Q345D為熱軋板材，主要用于風機的塔筒部分。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 拉伸試驗結(jié)果及分析

試驗得出兩種材料光滑拉伸試樣從室溫至-100℃的抗拉強度、屈服強度、延伸率和斷面收縮率，為了清楚的說明溫度變化對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。由于變化趨勢相似以S355為例，在圖中可以清楚的觀察到S355的抗拉強度Rm，屈服強度Rp隨溫度降低呈遞增趨勢，而延伸率A和斷面收縮率Z隨溫度降低無明顯變化。

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

對于S355和Q345D兩種金屬材料，其強度均隨著試驗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-納力對溫度是很敏感的，隨著溫度降至室溫之下，派-納力會急劇的升高［4］。除此之外，金屬在低溫下發(fā)生螺位錯的交滑移比較困難。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，屈服強度和抗拉強度急劇增高的現(xiàn)象。

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

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

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

對于塑性較好的材料，若缺口根部產(chǎn)生塑性變形，應力將重新分布，并隨載荷的增大塑性區(qū)逐漸擴大，直至整個截面上都產(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。當外加載荷增加時σy也隨之增加，缺口根部首先滿足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)測的截面上，由于σx≠0，如果想要滿足屈雷斯加判據(jù)，則必需加大縱向的應力σy，也就是說試樣心部的屈服要在縱向應力σy不斷增大的狀態(tài)下才會產(chǎn)生。當滿足這個條件時，材料的塑性變形就會從表面擴展至心部。同時伴隨著σy、σz隨σx的增大而增大。由此可見，在存在缺口的條件下由于出現(xiàn)了三向應力狀態(tài)，并產(chǎn)生應力集中，試樣的抗拉強度比光滑試樣單向拉伸時高［6］。

3.2 斷裂韌性實驗結(jié)果及分析

為了便于分析溫度對金屬材料J積分的影響。將試驗所得兩種材料的J積分數(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)不同試驗溫度下的J值作出兩種材料的JT曲線。圖4和圖5分別是S355、Q345D鋼的J值隨溫度的變化曲線。它們的斷裂韌性都隨著試驗溫度的降低而降低，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Fig.4 The J-T of S355

圖5 Q345D鋼的J-T曲線Fig 5 The J-T of Q345D

試驗所得兩個牌號的低強度低碳低合金鋼室溫時斷裂韌度都較高，S355試樣上平臺區(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曲線上平臺區(qū)斷裂韌度基本相同，而低溫斷裂韌度明顯高于Q345D。

通過觀察金相圖片發(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，化學成分相近，所以在斷裂韌性上平臺區(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出解理裂紋擴展的臨界條件，結(jié)合甄納-斯特羅的位錯塞積理論模型，加之屈服時裂紋已經(jīng)形成，其最大切應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裂紋體的實際斷裂強度與晶粒大小滿足下式關(guān)系:

式中:σc為裂紋擴展所需要的應力，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，其所需應力σc高于Q345D，其低溫斷裂韌度高于 Q345D［6］。

(2)由于S355的晶粒細小，總的晶界面積就增加，同時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減小，所以在低溫下的斷裂韌性優(yōu)于晶粒較為粗大的Q345D［5］。

另一種解釋認為，在同是韌窩斷的情況下，原始奧氏體晶粒度大小對斷裂韌性的影響不大，而在同是解理或準解理的情況下，原始奧氏體晶粒細小者斷裂韌性較高［5］。所以兩種材料在J-T曲線的上平臺區(qū)斷裂韌性相近，而低溫時S355明顯高于Q345D。

3.3 溫度對斷裂機理的影響

本試驗利用HITACHI S-2700型掃描電鏡分別觀察S355、Q345D兩種材料在7個試驗溫度區(qū)間下J積分斷口，研究其斷口形貌，了解斷裂機制。為了更直觀的分析溫度對斷口的影響，選取材料在不同溫度下的SEM照片。結(jié)合材料J-T曲線，分析溫度對斷口機理的影響。由于變化趨勢相似，所以選取S355的J-T曲線來加以說明。

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

圖6 S355鋼電鏡斷口隨試驗溫度的變化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度、抗拉強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)生缺口強化效應，使得缺口材料的抗拉強度高于光滑試樣。S355、Q345D的缺口抗拉強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沒有顯著的變化，均保持在1.40左右。

(3)斷裂韌性試驗中，兩種材料的斷裂韌性均隨溫度的降低而降低，室溫時S355、Q345D的斷裂韌性分別為307.51 kJ/m2、278.07 kJ/m2溫度降為-100℃時分別為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)從微觀機制上看，J-T曲線的上平臺裂紋失穩(wěn)擴展開始區(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解理的混合，下平臺則是準解理斷裂。低溫使材料的斷裂機理發(fā)生改變，從而影響到材料的斷裂韌性。

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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。

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