S355、Q345D的低温力学性能

芦 琳 李周波

(1国家石油天然气管材工程技术研究中心 宝鸡 721008)

(2宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院 宝鸡 721008)

S355、Q345D的低温力学性能

芦 琳1，2李周波1，2

(1国家石油天然气管材工程技术研究中心 宝鸡 721008)

(2宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院 宝鸡 721008)

以S355、Q345D为对象，研究了两种材料自室温至-100℃温度范围内的力学性能及断裂机制。结果表明两种金属材料的断裂韧性则随温度的降低而降低;屈服强度、抗拉强度则随温度的降低而升高。断面收缩率、延伸率以及缺口敏感系数均未出现明显降低的现象。由于试验材料塑性很好产生缺口强化效应，使得缺口材料的抗拉强度高于光滑试样。从微观机制上看，随着温度的降低，材料的微观断口形貌由韧窝状逐步转化为准解理。

低温 断裂韧性 断口形貌

1 引言

S355、Q345D两种低合金高强钢均具有很好的综合力学性能，并且广泛的应用于桥梁、船舶、电站、锅炉、压力容器、石油储罐、起重运输机械等各个方面。在国家大力号召使用清洁能源的情况下，风力发电逐渐被人们关注［1］。目前中国国内有大小风电场近百家，主要分布在三北地区和东南沿海，三北地区以内蒙古和东北三省等省份分布较为密集［2］。这些地区的共同特点就是冬季气温比较低，最低温度可达-30℃以下。低温下机组的运行工况、零部件的性能以及机组的可维护性等方面会发生相应的变化，可能会造成风电机组超出原始设计的允许范围，情况严重时还可能会引发严重的安全事故［3］。而 S355、Q345D两种合金是风力发电机塔筒部分的主要用材，所以对于这种钢材的低温力学性能的研究对生产实际具有重要的意义。

2 实验材料与方法

本试验主要包括两种材料从室温至-100℃的光滑拉伸、缺口拉伸、断裂韧性以及微观组织分析4部分。试验中研究的两种钢铁材料S355、Q345D为热轧板材，主要用于风机的塔筒部分。材料供货状态下的金相组织如图1所示。其中S355和Q345D的组织是珠光体加铁素体，由于试验所用试样取自于热轧钢板，在图中可明显看出其带状组织。比较图1可知Q345D的组织相对粗大。

图1 两种材料的金相组织Fig.1 Metallography of S355，Q345D

3 分析与讨论

3.1 拉伸试验结果及分析

试验得出两种材料光滑拉伸试样从室温至-100℃的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率，为了清楚的说明温度变化对于两种材料性能的影响，将得出数据的平均值绘制，如图2所示。由于变化趋势相似以S355为例，在图中可以清楚的观察到S355的抗拉强度Rm，屈服强度Rp随温度降低呈递增趋势，而延伸率A和断面收缩率Z随温度降低无明显变化。

图2 S355的A，Z(a图)和Rm，Rp(b图)随温度变化曲线Fig 2 Temperature curve A，Z(Fig a)and Rm，Rp(Fig b)of S355

对于S355和Q345D两种金属材料，其强度均随着试验温度的降低而逐渐升高。出现此种现象是由于两种材料均属于体心立方金属。而体心立方金属的派-纳力对温度是很敏感的，随着温度降至室温之下，派-纳力会急剧的升高［4］。除此之外，金属在低温下发生螺位错的交滑移比较困难。综合以上两方面的原因，两种金属均产生了随着温度的降低，屈服强度和抗拉强度急剧增高的现象。

在低温拉伸试验过程中发现S355和Q345D两种金属材料的缺口抗拉强度高于同等温度下的光滑试样的抗拉强度。而这种现象室温至-100℃的7个温度区间中均有出现。以S355为例将材料的在同一温度区间下的抗拉强度Rm和缺口抗拉强度RmH如图3所示。

图3 S355不同温度下Rm和RmH的曲线Fig 3 Temperature curve Rmm and RmHof S355

该现象应该从缺口的存在对金属材料的性能方面有何影响来进行解释。首先缺口的存在会产生两种作用，一是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样中所受的应力，由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了σx(平面应力状态)或σx与σz(平面应变状态)，视板厚或直径而定。二是由于缺口根部的多向应力状态，使塑性变形收到了约束，产生了缺口强化［5］。

对于塑性较好的材料，若缺口根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大塑性区逐渐扩大，直至整个截面上都产生塑性变形。根据屈雷斯加判据，金属屈服的条件是σmax=σy-σx=σs。在缺口的根部，σx=0，故σmax=σy=σs。当外加载荷增加时σy也随之增加，缺口根部首先满足σmax=σy=σs的要求而发生屈服。随着根部产生屈服，则σy立刻松弛而下降到材料的σs值。但在缺口内测的截面上，由于σx≠0，如果想要满足屈雷斯加判据，则必需加大纵向的应力σy，也就是说试样心部的屈服要在纵向应力σy不断增大的状态下才会产生。当满足这个条件时，材料的塑性变形就会从表面扩展至心部。同时伴随着σy、σz随σx的增大而增大。由此可见，在存在缺口的条件下由于出现了三向应力状态，并产生应力集中，试样的抗拉强度比光滑试样单向拉伸时高［6］。

3.2 断裂韧性实验结果及分析

为了便于分析温度对金属材料J积分的影响。将试验所得两种材料的J积分数据汇总于下表1所示。

表1 不同温度下两种材料的J值Table 1 The materials J under different temperature kJ/m2

根据不同试验温度下的J值作出两种材料的JT曲线。图4和图5分别是S355、Q345D钢的J值随温度的变化曲线。它们的断裂韧性都随着试验温度的降低而降低，但是不同材料韧性随温度的变化各异。

图4 S355钢的J-T曲线Fig.4 The J-T of S355

图5 Q345D钢的J-T曲线Fig 5 The J-T of Q345D

试验所得两个牌号的低强度低碳低合金钢室温时断裂韧度都较高，S355试样上平台区域较广，韧脆转变温度比较低，低于-80℃;而Q345D试样上下平台之间的落差较大，断裂韧性的转变温度范围较窄。S355和Q345D相比，其J-T曲线上平台区断裂韧度基本相同，而低温断裂韧度明显高于Q345D。

通过观察金相图片发现Q345D的晶粒明显大于S355。分析得出，S355和Q345D均属于低碳低合金钢且热处理状态、显微组织相同，化学成分相近，所以在断裂韧性上平台区差别并不大。

之所以在低温下S355的断裂韧度高于Q345D主要有以下两方面的原因:

(1)柯垂耳用能量分析法推导出解理裂纹扩展的临界条件，结合甄纳-斯特罗的位错塞积理论模型，加之屈服时裂纹已经形成，其最大切应力和晶粒直径之间存在霍尔-佩奇关系，所以得出解理断裂时裂纹体的实际断裂强度与晶粒大小满足下式关系:

式中:σc为裂纹扩展所需要的应力，MPa;G为材料的切变模量，GPa;γs为材料的有效表面能，J/m2;ky为材料的钉扎常数;d为材料的晶粒尺寸，μm。

由于S355晶粒直径小于Q345D，所以在低温下产生解理断裂时，其所需应力σc高于Q345D，其低温断裂韧度高于 Q345D［6］。

(2)由于S355的晶粒细小，总的晶界面积就增加，同时还存在铁素体和奥氏体的相界面，有害杂质元素在晶界、相界面的偏聚程度就相对减小，所以在低温下的断裂韧性优于晶粒较为粗大的Q345D［5］。

另一种解释认为，在同是韧窝断的情况下，原始奥氏体晶粒度大小对断裂韧性的影响不大，而在同是解理或准解理的情况下，原始奥氏体晶粒细小者断裂韧性较高［5］。所以两种材料在J-T曲线的上平台区断裂韧性相近，而低温时S355明显高于Q345D。

3.3 温度对断裂机理的影响

本试验利用HITACHI S-2700型扫描电镜分别观察S355、Q345D两种材料在7个试验温度区间下J积分断口，研究其断口形貌，了解断裂机制。为了更直观的分析温度对断口的影响，选取材料在不同温度下的SEM照片。结合材料J-T曲线，分析温度对断口机理的影响。由于变化趋势相似，所以选取S355的J-T曲线来加以说明。

图6是S355钢电镜断口随试验温度变化的示意图，在断裂韧性的上平台(例如-20℃图6)，裂纹失稳扩展开始区域的微观断口形貌是韧窝状，在-100℃时，电镜断口形貌则是准解理加晶间断，而在J-T曲线的转变温度范围内则为准解理加韧窝混合。从而可以说明，在温度降低时，裂纹扩展的微观机制是逐渐变化的，反映了从高能量的断裂过程向低能量断裂过程的转化［7］。

图6 S355钢电镜断口随试验温度的变化Fig 6 Fracture mophology of S355 as temperature change

4 结论

(1)与室温相比较，两种金属材料的屈服强度、抗拉强度均随温度的降低而升高;上升了约20%—25%。随着温度的降低，延伸率以及断面收缩率与室温时的数据变化不大，均未出现明显的温度敏感性。S355和Q345D的延伸率为32%左右，断面收缩率约为72%。

(2)两种金属缺口抗拉强度随温度的降低逐渐升高，由于材料塑性很好产生缺口强化效应，使得缺口材料的抗拉强度高于光滑试样。S355、Q345D的缺口抗拉强度分别高于光滑试样40.01%、40.59%。随着温度的降低其缺口拉伸敏感系数qe没有显著的变化，均保持在1.40左右。

(3)断裂韧性试验中，两种材料的断裂韧性均随温度的降低而降低，室温时S355、Q345D的断裂韧性分别为307.51 kJ/m2、278.07 kJ/m2温度降为-100℃时分别为61 kJ/m2、17.69 kJ/m2。两种材料相比较S355具有更好的低温性能。

(4)从微观机制上看，J-T曲线的上平台裂纹失稳扩展开始区域的微观断口形貌是韧窝状，在转变温度范围是韧窝加准解理的混合，下平台则是准解理断裂。低温使材料的断裂机理发生改变，从而影响到材料的断裂韧性。

1 机械工程导报编辑部.传统能源进行低碳发展的途径［J］.机械工程导报，2010(5):3-5.

2 陈 雯.我国风力发电的现状与展望［J］.应用能源技术，2010(8):49-51.

3 王相明.低温环境对风力发电机组的影响初探［R］.新疆金风科技股份有限公司，2006.

4 束德林.金属力学性能［M］.北京:机械工业出版社，1987，31-78.

5 涂铭旌，鄢文彬.低合金钢脆性断裂论文集［D］.西安:西安交通大学，1985.

6 Delarue E，Luickx P，Dhaeseleer W.The effect of implementing wind power on overall electricity generation costs，CO2emissions and reliability［C］.Proceedings of 2007 non-grid-connected wind power systems，2007:446-458.

7 Shi cheng L，T.Hashida，H.Takahashi，et al.A study on fractography in the low-temperature brittle fracture of an 18Cr-18Mn-0.7N austenitic steel［J］.Metallurgical and Materials Transcations A，1998，29A:791-797.

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

芦 琳，女，27岁，硕士。

book=62,ebook=360