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(qiáng)度鋼材在國內(nèi)外的實際工程中獲得了越來越多的應(yīng)用，如中央電視臺新臺址大樓就采用了690MPa的高強(qiáng)度鋼材，澳大利亞悉尼的Grosvenor place大樓也是采用的高強(qiáng)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(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化、鋼材基體的強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化以及熔體凈化等的共同作用，推進(jìn)了新型的高強(qiáng)度、高性能的鋼材研發(fā)與應(yīng)用。目前國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591-2008中較為常用的低合金高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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A(chǔ)kv與溫度之間的變化規(guī)律，同時將該鋼材的沖擊功值A(chǔ)kv與Q345鋼的沖擊功值A(chǔ)kv進(jìn)行對比，以得到?jīng)_擊功值A(chǔ)kv和強(qiáng)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?zāi)康?/h3>

此次沖擊韌性試驗主要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(jìn)而研究韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而給鋼材的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 高強(qiáng)度鋼材的低溫沖擊功值

1.2 試驗用材、尺寸及其設(shè)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(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591-2008低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的要求，其化學(xué)成分見表2。試樣依照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)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(dǎo)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(jī)上進(jìn)行，在進(jìn)行沖擊試驗前，應(yīng)把試樣放置在保溫箱中進(jìn)行冷卻，冷卻液選用的是液氮和酒精的混合液體。

表2 強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼材的化學(xué)成分

2 試驗結(jié)果

圖1為高強(qiáng)度鋼材的沖擊韌性與溫度之間的變化關(guān)系圖。由于高強(qiáng)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(yīng)的韌性值也會發(fā)生變化，因此，在進(jìn)行沖擊試驗時應(yīng)在規(guī)定的溫度下開展試驗，高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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A(chǔ)kv可知，其值從20℃到-60℃時下降了62．11%，由此可知，高強(qiáng)度鋼材在低溫時則相當(dāng)敏感。而相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，該類型的高強(qiáng)度鋼材的縱向沖擊功值A(chǔ)kv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(qiáng)度鋼材在-20℃及以下溫度時的沖擊功值A(chǔ)kv并未滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。因此，在對結(jié)構(gòu)用鋼進(jìn)行設(shè)計時，要考慮相關(guān)的預(yù)防低溫脆性的方案。

試驗還進(jìn)行了進(jìn)一步的驗證，如將該高強(qiáng)度鋼材與Q345鋼不同厚度的沖擊功值A(chǔ)kv進(jìn)行比較，可知，高強(qiáng)度鋼材的斷裂韌性除了與厚度相關(guān)外，同時還與強(qiáng)度存在著一定的聯(lián)系。比較10mm厚的高強(qiáng)度鋼材和14mm、18mm、22mm和24mm厚的Q345鋼沖擊功值A(chǔ)kv，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(qiáng)度鋼材的沖擊功值A(chǔ)kv均比14mm、18mm、22mm和24mm厚的Q345鋼沖擊功值A(chǔ)kv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(qiáng)度鋼材的沖擊功值A(chǔ)kv均高于不同厚度的Q345鋼的沖擊功值A(chǔ)kv。在-40℃時，10mm厚的高強(qiáng)度鋼材的沖擊功值A(chǔ)kv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(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼材的厚度和強(qiáng)度對低溫沖擊韌性存在著一定的影響因素，當(dāng)溫度低于-20℃時，該高強(qiáng)度鋼材與Q345鋼進(jìn)行比較，其低溫脆性對厚度的影響更為顯著一些。

圖2 高強(qiáng)度鋼材與Q345鋼不同厚度的沖擊功值A(chǔ)kv

通常情況下，工程上將韌脆轉(zhuǎn)變溫度看成是預(yù)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(qiáng)度鋼材的沖擊功值A(chǔ)kv與不同厚度的Q345鋼的沖擊功值A(chǔ)kv進(jìn)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(xì)的高強(qiáng)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(qiáng)鋼材和4種規(guī)格厚度的Q345鋼進(jìn)行對比，高強(qiáng)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(qiáng)度鋼材對低溫相對較為敏感。

表3 高強(qiáng)度鋼材的Boltzmann函數(shù)的擬合參數(shù)

圖4 高強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)前試驗所使用的高強(qiáng)度鋼材，其在10mm厚時的沖擊功值A(chǔ)kv在一定溫度下，并沒有滿足當(dāng)前我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的規(guī)定值34J的要求，因此，需要對該鋼材的化學(xué)成分以及加工工藝進(jìn)行必要的優(yōu)化與調(diào)整。通過Boltzmann 函數(shù)對高強(qiáng)度鋼材進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度鋼材的斷裂韌性除了與厚度有關(guān)聯(lián)外，與強(qiáng)度也存在相應(yīng)的聯(lián)系，當(dāng)溫度處于-20℃時，高強(qiáng)度鋼材的強(qiáng)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(xiàn)：

[1] 王元清,胡宗文,石永久,等．結(jié)構(gòu)鋼厚板低溫沖擊韌性試驗研究[J]．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2010, 31(9):1179-1184．

[2] 盧建華．橡膠粉改牲水泥混凝土抗沖擊韌性試驗研究[J]．交通運輸研究, 2012(4):89-91．