G20Mn5索夹铸钢件低温冲击韧性不合格原因分析

陈远林

(德阳天元重工股份有限公司，四川618000)

G20Mn5索夹铸钢件低温冲击韧性不合格原因分析

陈远林

(德阳天元重工股份有限公司，四川618000)

通过对比调质处理后G20Mn5铸钢件显微组织及冲击断口形貌，测定断口氧化物成分，分析了影响低温冲击韧性的因素。研究结果表明：冲击韧性降低的主要原因是形成了线性非金属MnS化合物并富集于晶界的脆性组织。在工程应用中，需要严格控制材料中S、Mn等杂质元素含量以及非金属夹杂物的形态和分布，避免线性非金属夹杂物的出现。

索夹；调质处理；低温冲击韧性

索夹是安装在主缆上，起到连接主缆和吊索的作用，同时又对主缆起到固定作用的重要构件。索夹作为悬索桥上部体系中核心受力部件，其自身性能的优劣直接影响到整个悬索桥的安全。国内对悬索桥索夹材料低温冲击性能尚未有明确要求，但是国外悬索桥对索夹低温冲击性能已有明确要求，例如卡塔尔鲁塞尔大桥、博斯普鲁斯三桥，设计明确要求索夹材料满足-40℃低温冲击。考虑到我国地域广阔，尤其是北方各地，冬天最低气温可达-30℃，因此所选用索夹材料的低温冲击性能对保证悬索下桥服役安全性是非常必要的。本文对调质处理的G20Mn5铸钢件索夹低温冲击韧性异常现象进行了对比分析，从材料组织和性能关系方面对该类材料的选用提供一定的指导和参考。

1 选用材料及试验方法

1.1 材料选用及热处理方法

本文选用欧洲标准EN10293：2005中的G20Mn5作为研究对象。G20Mn5铸钢件化学成分要求见表1。采用精炼的方式获得铸钢件。铸钢件经过调质处理后，其力学性能应满足表2要求，要求其中3个试样的冲击功平均值应≥27 J，允许1个试样的冲击功低于规定值，但不低于规定值的70%。

表1 G20Mn5铸钢件化学成分要求(质量分数，%)

表2 G20Mn5铸钢件力学性能要求

图1 G20Mn5铸钢件调质热处理工艺路线

图2 冲击试样显微组织

Figure 2 Microstructure of impact specimen

铸钢件淬火后进行650～700℃超高温回火，不仅可以获得高的强度和塑性，还能获得高的韧性[1]。本文中，G20Mn5材料采用920℃淬火和660℃回火。保温时间根据壁厚计算，通常截面厚度1 mm保温2 min。本次试棒截面厚度为90 mm，淬火保温时间设定为3 h，回火保温时间一般长于淬火保温时间。具体热处理工艺路线如图1所示。

1.2 试验方法

以煅烧高岭土粉替代基准混凝土中矿粉总质量的10%～40%，按照表5的配合比制作低碳混凝土样块.根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》对养护3d，7d，28d的混凝土样块进行抗压强度测试，测试结果列于表6.

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

武侠需要的设定太多了，恩恩怨怨、门派武功、家国背景，有时候还涉及到各种各样的历史人物。光设定就需要几万字，区区一个短篇，哪里写得完呢？

无论是德国行政诉讼的调解制度，还是我国现有的调解制度，若要制度性、系统性地进行构建，都是一项重大的系统工程，但对于构建调解制度中的几个关键问题，应当结合我国当下时代立法背景予以明确回应。

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本实验采用的设备有液压万能试验机、半自动冲击试验机、光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)。试样制备及试验方法按GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》和GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》中相关规定执行。低温冲击试验采用液氮冷却试样至-40℃。

经过调质处理后，按照EN 1559-2规定取样，进行力学性能试验，具体试验结果见表3。1#和2#试样屈服强度、抗拉强度、延伸率基本一致，均满足表2要求，但2#试样的3个冲击功明显低于27 J，平均下降约40%，不满足表2中规定的冲击性能要求。

2.2 微观组织

表3 G20Mn5铸钢件调质处理后的力学性能

由表3数据可知，1#试样所有力学性能均满足表2规定；2#试样拉伸性能满足表2且与1#相近，而冲击功明显低于27 J。由于试样是同一热处理炉批，出现这种差异可能是由于铸钢件材料本身问题所致。为了找出材料微观组织对冲击韧性的影响因素，分别对1#试样和2#试样的冲击试样进行了显微组织分析。

图3 冲击试样断口形貌

Figure 3 Fracture morphology of impact specimen

(a)1#试样

(b)2#试样

由图2可知，1#试样和2#试样显微组织一致，均为贝氏体+铁素体+少量珠光体。夹杂物类型按TB/T 2451—1993进行分类，1#冲击试样夹杂物呈球状分布，Ⅰ、Ⅲ型1.5级，Ⅱ型0.5级；2#冲击试样夹杂物呈线性分布，Ⅰ、Ⅲ型1.0级，Ⅱ型3.0级。由此可见，与球状夹杂物相比，2#冲击试样晶界存在呈线性分布的夹杂物，破坏了微观组织的连续性，降低了组织的韧性。如果冲击试样V型缺口附近存在沿晶界分布的非金属夹杂物，当金属受到冲击负荷时，冲击功显著降低，表现为脆性断裂。

对1#和2#冲击试样断口进行扫描电镜观察及能谱分析。断口均为解理断口，如图3所示，1#冲击试样断口有分散的点状夹杂，2#冲击试样明显存在大量的鱼骨状夹杂。对断口上的微观夹杂物进行能谱分析，如图4所示。明显可知，夹杂物主要以MnS存在，其中2#冲击试样中的鱼骨状夹杂物S含量高达39.86%。微观定量分析夹杂物处S含量存在严重的偏析，硫及硫化物的含量增加降低钢的各种韧性指标，随着夹杂物数量或长度的增加而下降。曾光廷等[2]研究了硫化物和氮化物夹杂对钢的断裂韧性的影响，并与Krafft模型计算值进行了比较，结果得出：对断裂韧性的危害由小到大依次为VN→TiS→ AlN→NbN→ZrN→Al2S3→CeS→MnS。由此进一步验证了非金属夹杂物对降低低温冲击韧性的显著影响。

3 结论

从显微组织看，产生脆断的主要原因是S偏析亚种，S与Mn形成MnS化合物，并富集于晶界处，从而形成了线性非金属夹杂物沿晶界分布的脆性组织，造成晶界的弱化，使G20Mn5材料低温冲击韧性大幅降低，对索夹安全服役构成了严重危害。因此在实际生产中，原材料方面，需要严格控制原材料中S与Mn等杂质元素含量，从而降低铸钢件中的非金属夹杂物数量；显微组织方面，要控制夹杂物的形态和分布，避免线性非金属夹杂物的出现。

[1] 张恒，温新林，王秀梅. 关于钢的调质研究[J]. 热处理，2009，24(6)：59-61.

[2] 曾光廷，李静缓，罗学厚. 非金属夹杂物与钢的韧性研究[J]. 材料科学与工程，2000，18(2)：87-90.

[3] 李琴，黄安明，陈远林. 悬索桥索夹用材ZG20Mn性能研究[J]. 大型铸锻件，2016(5)：19-23.

编辑 杜青泉

Cause Analysis of Disqualification of Toughness after Low Temperature Impact of G20Mn5 Cord Clip Casting Steel

Chen Yuanlin

Through comparing the microstructures of G20Mn5 casting steel after quenching and tempering and the impact fracture morphology and determing the oxide composition on fracture surface, the factors affecting the impact toughness at low temperature are analyzed. The results show that the main reason for the decrease of impact toughness is the formation of linear nonmetallic MnS compound and the enrichment of brittle microstructure on grain boundaries. In engineering applications, it is necessary to strictly control the content of S, Mn and other impurities, and the shape and distribution of non-metallic inclusions in order to avoid the occurrence of linear non-metallic inclusions.

cord clip; quenching and tempering; impact toughness at low-temperature

2017—01—20

TG245

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