Q345qD鋼板韌脆轉變溫度的測定探究

賈海偉，宋鴻印，項美輝，曾遠新，王勇

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 前言

八鋼生產的橋梁結構鋼主要在新疆及周邊地區公路橋梁建設中作為主體使用，橋梁結構鋼長時間處在露天寒冷的惡劣環境中工作服役，需要承受較大的靜、動載荷。因此，要求橋梁結構鋼具有優異的強度、低溫沖擊韌性和良好的可焊性。同時，必須具有低屈服比以確保在大載荷下的抗斷裂性。

不同金屬材料有著不同的韌脆轉變溫度，韌脆轉變溫度越低，表明脆性傾向越小，即金屬材料在低溫下使用時危險性較小，對處于寒冷地帶和低溫環境下服役的金屬材料，需要測定韌脆轉變溫度，以確定其低溫脆化傾向的大小[1]。韌脆轉變溫度反映了溫度對金屬材料韌性或脆性的影響，因此在品種開發和產品開發過程中韌脆轉變溫度的確定非常重要，同時也是從韌性方面考慮選用鋼材的依據之一。

八鋼公司生產的橋梁結構鋼Q345qD執行國標GB/T714-2015《橋梁用結構鋼》。針對Q345qD鋼板進行了-80℃～0℃的系列沖擊試驗，根據剪切斷面率、側膨脹值、沖擊吸收能量與溫度的關系繪制出Q345qD鋼板的韌脆轉化曲線，找出Q345qD鋼的韌脆轉變溫度區間，為八鋼開發系列產品及工藝路線的設計提供技術參數。

2 試驗方法

2.1 試驗原理

韌脆轉變作為鋼鐵材料的一種重要現象，其影響因素有很多。屈服強度σs和斷裂強度σf是任何一種金屬材料都具有的兩個強度指標，兩者都隨著溫度上升而下降。σs隨溫度下降的速率比σf的下降速率大，因而兩者的σ-T關系曲線交于某一溫度。當 T＞Tt時，σf＞σs，即材料首先屈服時，則發生斷裂，即韌性斷裂；當 T ＜Tt時，σf＜σs，即材料尚未屈服時，其已達到其斷裂強度。也就是說，在未發生明顯的塑形變形之前已經斷裂，這是脆性斷裂[2]。當試驗溫度低于某溫度時，材料由韌性狀態變為脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理，斷口由纖維狀態變為結晶狀態，這就是低溫脆性，該溫度稱為韌脆轉變溫度[3]。因此，按照GB/T 229-2007，沖擊功或側膨脹值達到某一特定值（上下平臺值之和的50%）、剪切斷面率為50%時所對應的溫度就是該材料的韌脆轉變溫度。

2.2 材料與試驗

試驗材料為Q345qD板H16mm、H40mm的鋼板上制備成55mm×10mm×10mm的V型缺口試樣，在NI500F全自動沖擊試驗機上進行系列溫度沖擊試驗，為了更加準確測定韌脆轉變溫度，在-40℃至-70℃試驗溫度區間縮小，試驗溫度分別為0、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-45℃、-50℃、-55℃、-60℃、-65℃、-70℃、-80℃。試驗方法按照GB/T 229-2007標準中給出的方法進行試驗，每個試驗溫度做3個沖擊樣，試驗結果取平均值。

利用光譜分析方法檢測取樣鋼板的化學成分，用DMI5000M倒置式光學顯微鏡對取樣鋼板的金相組織和夾雜物含量進行觀察和分析。

3 結果與分析

對選用的材料Q345qD板H16mm、H40mm的試樣分別編號為試樣1、試樣2，對它們的化學成分、力學性能、韌脆轉變溫度、金相組織及夾雜物進行試驗分析。

3.1 化學成分分析

取樣鋼板（Q345qD橋梁用結構鋼）的化學成分見表1，符合GB/T714-2015標準的相關要求。

3.2 力學性能測試

取樣鋼板（Q345qD橋梁用結構鋼）的力學性能見表2，符合GB/T714-2015相關要求。

表2 試驗材料力學性能

3.3 夾雜物及金相組織分析

試樣1和試樣2的晶粒度、夾雜物評級和金相組織見表3。圖1為試樣1和試樣2的中心部位金相組織。

表3 取樣鋼板的金相分析

圖1試樣1和試樣2的金相組織圖

3.4 韌脆轉變溫度測定

根據GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》和GB/T12778-2008《金屬夏比沖擊斷口測定》中規定的側膨脹值法、斷口形貌法和沖擊吸收能量法來分析Q345qD鋼的韌脆轉變溫度。所測試驗數據利用Boltzmann函數進行擬合，Boltzmann函數［4、5］模型為：

式中：θ1-下平臺值；θ2-上平臺值；x-試驗溫度；θ3-對應的韌脆轉變溫度；θ4-為與韌脆轉變溫度區寬度相關的參數。

3.4.1 能量法

不同溫度下沖擊試驗所得試樣的平均沖擊能量見表4，試樣的沖擊能量值隨著溫度的降低而減小。以20℃為間隔進行分析，發現試樣1的沖擊能量在-20℃～0℃減少35J，試樣2的沖擊能量減少30J;-40℃～-20℃試樣1的沖擊功減小了31J，試樣2的沖擊功減小了38J；-60℃～-40℃試樣1的沖擊功減小了109J，試樣 2的沖擊功減小了118J；-80℃～-60℃試樣1的沖擊功減小了59J，試樣2的沖擊功減小了44J。試樣1和試樣2的沖擊能量在-60℃～-40℃大大降低，表明該區間材料的斷裂性能發生了很大變化。

表4 不同試驗溫度下試樣的沖擊功Akv均值 J

利用Oringin軟件中的S型擬合工具，選用其中的Boltzmann函數對表4中系列沖擊功的數據進行擬合，得到的曲線如圖2所示。

圖2 試樣1和試樣2沖擊功-溫度曲線圖

根據圖2可以看出隨著溫度的降低，試樣的沖擊功剛開始不會隨著溫度降低而有較大變化，此時沖擊功的變化處于一個平臺區間（上平臺）；當溫度達到一定溫度時，隨著溫度的降低，試樣的沖擊能量迅速下降，沖擊能量的變化處于陡峭的區間（轉變區）；當沖擊功降到一定程度后將不會隨著溫度的降低而下降，此時沖擊功又趨于一個平臺（下平臺）。國標中要求橋梁結構鋼的沖擊功不小于120J，圖2中材料的上下平臺分別為230J和10J，通過分析擬合的沖擊功-溫度曲線圖，可知當沖擊吸收能量值為120J時，試樣1、試樣2的韌脆轉變溫度分別為-49℃和-48℃。

3.4.2 側膨脹值法

側膨脹量即沖擊試樣缺口背面的兩側由于沖擊試驗時所受的錘擊，而產生的側邊膨脹增量。側向膨脹量與材料的韌性密切相關，反映了沖擊斷裂后試樣的側向變形程度，變形程度大說明材料韌性好，韌性差說明變形程度小。通過在不同溫度下的沖擊試驗獲得的試樣的平均側膨脹值見表5。用Boltzmann函數對表5中的數據進行擬合，獲得的曲線如圖3所示。圖3中材料的上平臺和下平臺分別為3mm和0.19mm，通過分析擬合曲線，可知試樣1、試樣2的韌脆轉變溫度分別為-50℃、-49℃。

圖3 試樣1和試樣2溫度-側膨脹值曲線圖

表5 不同試驗溫度下試樣的側膨脹值 mm

3.4.3 斷口形貌法

除了切口底部的破裂源之外，沖擊樣品斷口通常由纖維區域、輻射區域和剪切唇組成。材料韌性的優劣與斷口上這三個區域各自所占的比例有一定關系，韌性越差對應著放射區所占的百分比越大[6]。不同測試溫度下的的剪切斷面率見表6，表6中的數據用Boltzmann函數進行擬合，獲得如圖4所示的溫度-剪切斷面率曲線。從圖4可知，剪切斷面率隨溫度的降低而減小，曲線呈S型變化。將對應于剪切斷面率為50%時的溫度作為材料的韌脆轉變溫度，從圖4可以看出，試樣1、2試樣的韌脆轉變溫度分別為-50℃和-47℃。

表6 不同溫度下試樣的剪切斷面率 %

圖4 試樣1和試樣2剪切斷面率-溫度曲線圖

4 結論

（1）材料韌脆轉變溫度的影響因素較多，通過采用能量法、斷口形貌法和側膨脹值法測定了試驗材料Q345qD鋼的韌脆轉變溫度區間為-50℃～-45℃，低于-50℃時材料斷裂方式逐漸變化為脆性斷裂，大于-45℃時材料斷裂方式逐漸變化為韌性斷裂。

（2）根據斷口宏觀的剪切斷面率分析，在-80℃～0℃區間內，發現剪切斷面率從100%降至10%，它反映了材料斷裂的性質隨著溫度的降低從韌性斷裂逐漸變為脆性斷裂。

（3）通過對金相組織分析，試樣1的晶粒度比試樣2的晶粒度大，韌脆轉變溫度試樣1比試樣2低，說明材料的晶粒度大小對沖擊韌性存在一定的影響。