懸索橋錨固鋼拉桿選材研究

謝 俊 陳遠林 朱長清

(德陽天元重工股份有限公司，德陽618000)

傳統(tǒng)的懸索橋錨固系統(tǒng)主要分為型鋼錨固系統(tǒng)和預應力錨固系統(tǒng)。隨著近幾年懸索橋的發(fā)展，一種鋼拉桿錨固系統(tǒng)開始應用于懸索橋。如大連星海灣跨海大橋、雅康大渡河大橋等。錨固鋼拉桿材質(zhì)一般選用淬透性較好的40CrNiMoA、42CrMo等合金鋼[1]，錨固鋼拉桿直徑在?80 mm以上，本文對直徑為?80 mm的40CrNiMoA、42CrMo兩種棒材進行調(diào)質(zhì)處理，分別在棒材直徑的表面、T4處、心部取樣，從性能和金相組織上對錨固鋼拉桿的選材提供指導和參考。

1 材料的選擇和試驗方法

1.1 材料的選擇及熱處理方法

選用40CrNiMoA、42CrMo作為研究對象。試棒為?80 mm的圓鋼，經(jīng)過鍛造后正火處理。材料的化學成分滿足GBT 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中標準要求，具體數(shù)據(jù)見表1、表2。

拉桿經(jīng)過超聲檢測合格后進行調(diào)質(zhì)處理。本次采用中頻感應淬火，淬火溫度為870℃，回火溫度為610℃。低合金鋼在淬火后進行高溫回火，可以獲得高的抗拉強度以及較高的韌性值。

1.2 試驗方法

本實驗采用的設備有微機控制電子萬能試驗機(UTM5305)、半自動沖擊試驗機(JB-300B)、沖擊試驗低溫槽(CDW-60)、洛氏硬度計(HRS-150)和倒置金相顯微鏡(DMM-480C)。試驗的制備及試驗方法按GBT 228.1—2010、GBT 229—2007、GBT 230.1—2009執(zhí)行。低溫沖擊試驗采用沖擊試驗低溫槽冷卻至-20℃。

表1 40CrNiMoA試樣的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of 40CrNiMoA specimen(mass fraction, %)

表2 42CrMo試樣的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical composition of 42CrMo specimen(mass fraction, %)

在拉桿直徑的表面、T4處、心部取拉伸、沖擊、金相試樣，從拉桿表面到心部，每隔5 mm檢測一個點的洛氏硬度。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學性能

調(diào)質(zhì)完成后，分別在表面、T4處、心部進行一拉三沖取樣，沖擊吸收能量值在-20℃環(huán)境下進行檢測，具體數(shù)據(jù)見表3和表4。由表3可知，40CrNiMoA表面與心部的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和沖擊吸收能量值基本一致，其中抗拉強度表面與心部相差1.3%，沖擊吸收能量值均在70 J～78 J之間。42CrMo表面與T4處的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率基本一致，但表面和心部的屈服強度和抗拉強度下降較快，以抗拉強度為例，表面和心部相差14.3%，沖擊吸收能量值在30 J～40 J之間，明顯低于40CrNiMoA。由此可見40CrNiMoA的淬透性優(yōu)于42CrMo，金屬工藝學研究表明，Cr、Ni、Mo等合金元素都可以提高材質(zhì)的淬透性，40CrNiMoA增加了Ni元素，使它的淬透性有一定的提高[2]，同時Ni元素在淬火過程中，能夠起到細化晶粒，提高屈強比的作用，提高鋼的強度同時，又能保持良好的塑性和韌性[3]。

表3 40CrNiMoA力學性能Table 3 Mechanical properties of 40CrNiMoA

表4 42CrMo力學性能Table 4 Mechanical properties of 42CrMo

通過檢測?80 mm拉桿不同深度層的硬度值發(fā)現(xiàn)，40CrNiMoA拉桿的表面和距離表面40 mm深度的心部硬度值基本一致，而42CrMo拉桿的硬度在距離表面20 mm處迅速下降，心部與表面硬度差達到18.5%。由以上數(shù)據(jù)可知，?80 mm的40CrNiMoA拉桿能淬透，而42CrMo拉桿的淬透深度約為20 mm，如表5和圖1所示。

表5 40CrNiMoA和42CrMo洛氏硬度Table 5 Rockwell hardness of 40CrNiMoA and 42CrMo

圖1 40CrNiMoA與42CrMo不同深度硬度值Figure 1 Hardness values of different depths of 40CrNiMoA and 42CrMo

2.2 微觀組織

經(jīng)調(diào)質(zhì)后，分別在拉桿的表面和心部取樣進行金相試驗。40CrNiMoA表面及心部為回火索氏體+少量的鐵素體；42CrMo表面為少量回火索氏體+珠光體+鐵素體，心部為珠光體+塊狀鐵素體。由圖2可知，40CrNiMoA金相組織比42CrMo更細密，淬透組織更多，其韌性也更好，與-20℃低溫韌性實測值也一致。

(a)40CrNiMoA 表面 500×(b)40CrNiMoA 心部 500×(c)42CrMo 表面 500×(d)42CrMo 心部 500×

圖2 40CrNiMoA與42CrMo顯微組織
Figure 2 Microstructure of 40CrNiMoA and 42CrMo

3 結(jié)論

(1)40CrNiMoA表面與心部的力學性能基本一致，?80 mm的40CrNiMoA拉桿能完全淬透。

(2)42CrMo表面與心部的力學性能差異較大，其心部強度值較表面下降約14.3%，硬度下降18.5%，淬透深度約為20 mm。

(3)40CrNiMoA在-20℃環(huán)境下的沖擊吸收能量值約為75 J，而42CrMo的沖擊吸收能量值約為33.5 J。由此可見40CrNiMoA在調(diào)質(zhì)后抗低溫沖擊韌性明顯好于42CrMo。

(4)作為懸索橋重要受力構(gòu)件，建議錨固拉桿在材料選用上應選擇綜合性能更好，淬透性更高的40CrNiMoA材料。