悬索桥锚固钢拉杆选材研究

2019-08-30陈远林朱长清

大型铸锻件 2019年5期

谢俊陈远林朱长清

(德阳天元重工股份有限公司，德阳618000)

传统的悬索桥锚固系统主要分为型钢锚固系统和预应力锚固系统。随着近几年悬索桥的发展，一种钢拉杆锚固系统开始应用于悬索桥。如大连星海湾跨海大桥、雅康大渡河大桥等。锚固钢拉杆材质一般选用淬透性较好的40CrNiMoA、42CrMo等合金钢[1]，锚固钢拉杆直径在∅80 mm以上，本文对直径为∅80 mm的40CrNiMoA、42CrMo两种棒材进行调质处理，分别在棒材直径的表面、T4处、心部取样，从性能和金相组织上对锚固钢拉杆的选材提供指导和参考。

1 材料的选择和试验方法

1.1 材料的选择及热处理方法

选用40CrNiMoA、42CrMo作为研究对象。试棒为∅80 mm的圆钢，经过锻造后正火处理。材料的化学成分满足GBT 3077—2015《合金结构钢》中标准要求，具体数据见表1、表2。

拉杆经过超声检测合格后进行调质处理。本次采用中频感应淬火，淬火温度为870℃，回火温度为610℃。低合金钢在淬火后进行高温回火，可以获得高的抗拉强度以及较高的韧性值。

1.2 试验方法

本实验采用的设备有微机控制电子万能试验机(UTM5305)、半自动冲击试验机(JB-300B)、冲击试验低温槽(CDW-60)、洛氏硬度计(HRS-150)和倒置金相显微镜(DMM-480C)。试验的制备及试验方法按GBT 228.1—2010、GBT 229—2007、GBT 230.1—2009执行。低温冲击试验采用冲击试验低温槽冷却至-20℃。

表1 40CrNiMoA试样的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 40CrNiMoA specimen(mass fraction, %)

表2 42CrMo试样的化学成分(质量分数，%)Table 2 Chemical composition of 42CrMo specimen(mass fraction, %)

在拉杆直径的表面、T4处、心部取拉伸、冲击、金相试样，从拉杆表面到心部，每隔5 mm检测一个点的洛氏硬度。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

调质完成后，分别在表面、T4处、心部进行一拉三冲取样，冲击吸收能量值在-20℃环境下进行检测，具体数据见表3和表4。由表3可知，40CrNiMoA表面与心部的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和冲击吸收能量值基本一致，其中抗拉强度表面与心部相差1.3%，冲击吸收能量值均在70 J～78 J之间。42CrMo表面与T4处的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率基本一致，但表面和心部的屈服强度和抗拉强度下降较快，以抗拉强度为例，表面和心部相差14.3%，冲击吸收能量值在30 J～40 J之间，明显低于40CrNiMoA。由此可见40CrNiMoA的淬透性优于42CrMo，金属工艺学研究表明，Cr、Ni、Mo等合金元素都可以提高材质的淬透性，40CrNiMoA增加了Ni元素，使它的淬透性有一定的提高[2]，同时Ni元素在淬火过程中，能够起到细化晶粒，提高屈强比的作用，提高钢的强度同时，又能保持良好的塑性和韧性[3]。

表3 40CrNiMoA力学性能Table 3 Mechanical properties of 40CrNiMoA

表4 42CrMo力学性能Table 4 Mechanical properties of 42CrMo

通过检测∅80 mm拉杆不同深度层的硬度值发现，40CrNiMoA拉杆的表面和距离表面40 mm深度的心部硬度值基本一致，而42CrMo拉杆的硬度在距离表面20 mm处迅速下降，心部与表面硬度差达到18.5%。由以上数据可知，∅80 mm的40CrNiMoA拉杆能淬透，而42CrMo拉杆的淬透深度约为20 mm，如表5和图1所示。

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

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

2.2 微观组织

经调质后，分别在拉杆的表面和心部取样进行金相试验。40CrNiMoA表面及心部为回火索氏体+少量的铁素体；42CrMo表面为少量回火索氏体+珠光体+铁素体，心部为珠光体+块状铁素体。由图2可知，40CrNiMoA金相组织比42CrMo更细密，淬透组织更多，其韧性也更好，与-20℃低温韧性实测值也一致。