Q345qD钢板韧脆转变温度的测定探究

贾海伟，宋鸿印，项美辉，曾远新，王勇

（新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部）

1 前言

八钢生产的桥梁结构钢主要在新疆及周边地区公路桥梁建设中作为主体使用，桥梁结构钢长时间处在露天寒冷的恶劣环境中工作服役，需要承受较大的静、动载荷。因此，要求桥梁结构钢具有优异的强度、低温冲击韧性和良好的可焊性。同时，必须具有低屈服比以确保在大载荷下的抗断裂性。

不同金属材料有着不同的韧脆转变温度，韧脆转变温度越低，表明脆性倾向越小，即金属材料在低温下使用时危险性较小，对处于寒冷地带和低温环境下服役的金属材料，需要测定韧脆转变温度，以确定其低温脆化倾向的大小[1]。韧脆转变温度反映了温度对金属材料韧性或脆性的影响，因此在品种开发和产品开发过程中韧脆转变温度的确定非常重要，同时也是从韧性方面考虑选用钢材的依据之一。

八钢公司生产的桥梁结构钢Q345qD执行国标GB/T714-2015《桥梁用结构钢》。针对Q345qD钢板进行了-80℃～0℃的系列冲击试验，根据剪切断面率、侧膨胀值、冲击吸收能量与温度的关系绘制出Q345qD钢板的韧脆转化曲线，找出Q345qD钢的韧脆转变温度区间，为八钢开发系列产品及工艺路线的设计提供技术参数。

2 试验方法

2.1 试验原理

韧脆转变作为钢铁材料的一种重要现象，其影响因素有很多。屈服强度σs和断裂强度σf是任何一种金属材料都具有的两个强度指标，两者都随着温度上升而下降。σs随温度下降的速率比σf的下降速率大，因而两者的σ-T关系曲线交于某一温度。当 T＞Tt时，σf＞σs，即材料首先屈服时，则发生断裂，即韧性断裂；当 T ＜Tt时，σf＜σs，即材料尚未屈服时，其已达到其断裂强度。也就是说，在未发生明显的塑形变形之前已经断裂，这是脆性断裂[2]。当试验温度低于某温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口由纤维状态变为结晶状态，这就是低温脆性，该温度称为韧脆转变温度[3]。因此，按照GB/T 229-2007，冲击功或侧膨胀值达到某一特定值（上下平台值之和的50%）、剪切断面率为50%时所对应的温度就是该材料的韧脆转变温度。

2.2 材料与试验

试验材料为Q345qD板H16mm、H40mm的钢板上制备成55mm×10mm×10mm的V型缺口试样，在NI500F全自动冲击试验机上进行系列温度冲击试验，为了更加准确测定韧脆转变温度，在-40℃至-70℃试验温度区间缩小，试验温度分别为0、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-45℃、-50℃、-55℃、-60℃、-65℃、-70℃、-80℃。试验方法按照GB/T 229-2007标准中给出的方法进行试验，每个试验温度做3个冲击样，试验结果取平均值。

利用光谱分析方法检测取样钢板的化学成分，用DMI5000M倒置式光学显微镜对取样钢板的金相组织和夹杂物含量进行观察和分析。

3 结果与分析

对选用的材料Q345qD板H16mm、H40mm的试样分别编号为试样1、试样2，对它们的化学成分、力学性能、韧脆转变温度、金相组织及夹杂物进行试验分析。

3.1 化学成分分析

取样钢板（Q345qD桥梁用结构钢）的化学成分见表1，符合GB/T714-2015标准的相关要求。

3.2 力学性能测试

取样钢板（Q345qD桥梁用结构钢）的力学性能见表2，符合GB/T714-2015相关要求。

表2 试验材料力学性能

3.3 夹杂物及金相组织分析

试样1和试样2的晶粒度、夹杂物评级和金相组织见表3。图1为试样1和试样2的中心部位金相组织。

表3 取样钢板的金相分析

图1试样1和试样2的金相组织图

3.4 韧脆转变温度测定

根据GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》和GB/T12778-2008《金属夏比冲击断口测定》中规定的侧膨胀值法、断口形貌法和冲击吸收能量法来分析Q345qD钢的韧脆转变温度。所测试验数据利用Boltzmann函数进行拟合，Boltzmann函数［4、5］模型为：

式中：θ1-下平台值；θ2-上平台值；x-试验温度；θ3-对应的韧脆转变温度；θ4-为与韧脆转变温度区宽度相关的参数。

3.4.1 能量法

不同温度下冲击试验所得试样的平均冲击能量见表4，试样的冲击能量值随着温度的降低而减小。以20℃为间隔进行分析，发现试样1的冲击能量在-20℃～0℃减少35J，试样2的冲击能量减少30J;-40℃～-20℃试样1的冲击功减小了31J，试样2的冲击功减小了38J；-60℃～-40℃试样1的冲击功减小了109J，试样 2的冲击功减小了118J；-80℃～-60℃试样1的冲击功减小了59J，试样2的冲击功减小了44J。试样1和试样2的冲击能量在-60℃～-40℃大大降低，表明该区间材料的断裂性能发生了很大变化。

表4 不同试验温度下试样的冲击功Akv均值 J

利用Oringin软件中的S型拟合工具，选用其中的Boltzmann函数对表4中系列冲击功的数据进行拟合，得到的曲线如图2所示。

图2 试样1和试样2冲击功-温度曲线图

根据图2可以看出随着温度的降低，试样的冲击功刚开始不会随着温度降低而有较大变化，此时冲击功的变化处于一个平台区间（上平台）；当温度达到一定温度时，随着温度的降低，试样的冲击能量迅速下降，冲击能量的变化处于陡峭的区间（转变区）；当冲击功降到一定程度后将不会随着温度的降低而下降，此时冲击功又趋于一个平台（下平台）。国标中要求桥梁结构钢的冲击功不小于120J，图2中材料的上下平台分别为230J和10J，通过分析拟合的冲击功-温度曲线图，可知当冲击吸收能量值为120J时，试样1、试样2的韧脆转变温度分别为-49℃和-48℃。

3.4.2 侧膨胀值法

侧膨胀量即冲击试样缺口背面的两侧由于冲击试验时所受的锤击，而产生的侧边膨胀增量。侧向膨胀量与材料的韧性密切相关，反映了冲击断裂后试样的侧向变形程度，变形程度大说明材料韧性好，韧性差说明变形程度小。通过在不同温度下的冲击试验获得的试样的平均侧膨胀值见表5。用Boltzmann函数对表5中的数据进行拟合，获得的曲线如图3所示。图3中材料的上平台和下平台分别为3mm和0.19mm，通过分析拟合曲线，可知试样1、试样2的韧脆转变温度分别为-50℃、-49℃。

图3 试样1和试样2温度-侧膨胀值曲线图

表5 不同试验温度下试样的侧膨胀值 mm

3.4.3 断口形貌法

除了切口底部的破裂源之外，冲击样品断口通常由纤维区域、辐射区域和剪切唇组成。材料韧性的优劣与断口上这三个区域各自所占的比例有一定关系，韧性越差对应着放射区所占的百分比越大[6]。不同测试温度下的的剪切断面率见表6，表6中的数据用Boltzmann函数进行拟合，获得如图4所示的温度-剪切断面率曲线。从图4可知，剪切断面率随温度的降低而减小，曲线呈S型变化。将对应于剪切断面率为50%时的温度作为材料的韧脆转变温度，从图4可以看出，试样1、2试样的韧脆转变温度分别为-50℃和-47℃。

表6 不同温度下试样的剪切断面率 %

图4 试样1和试样2剪切断面率-温度曲线图

4 结论

（1）材料韧脆转变温度的影响因素较多，通过采用能量法、断口形貌法和侧膨胀值法测定了试验材料Q345qD钢的韧脆转变温度区间为-50℃～-45℃，低于-50℃时材料断裂方式逐渐变化为脆性断裂，大于-45℃时材料断裂方式逐渐变化为韧性断裂。

（2）根据断口宏观的剪切断面率分析，在-80℃～0℃区间内，发现剪切断面率从100%降至10%，它反映了材料断裂的性质随着温度的降低从韧性断裂逐渐变为脆性断裂。

（3）通过对金相组织分析，试样1的晶粒度比试样2的晶粒度大，韧脆转变温度试样1比试样2低，说明材料的晶粒度大小对冲击韧性存在一定的影响。