帶狀組織對Q345E鋼力學性能的影響

高　瀟　楊仁杰　李英杰　張秀芝

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

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帶狀組織對Q345E鋼力學性能的影響

高瀟楊仁杰李英杰張秀芝

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

摘要：以風電法蘭用鋼Q345E為研究對象，研究了帶狀組織等級對Q345E鋼縱向和橫向拉伸性能與低溫沖擊性能的影響。研究結果表明，帶狀組織越嚴重，材料的低溫沖擊性能越差，而且橫向試樣的沖擊功明顯低于縱向試樣的沖擊功。帶狀組織對材料的拉伸性能雖有影響，但幅值較小。試樣的取向對材料的拉伸性能影響不明顯。

關鍵詞：Q345E鋼；風電法蘭；帶狀組織；力學性能

風電法蘭由于其工作位置的關鍵性(連接塔筒，位置較高，不易更換和維修)和工作氣候的特殊性(風力強，溫差大，溫度低)，對低溫沖擊性能等各項力學性能均有較高的要求。鋼材中C、Mn、Si等合金元素對低溫脆性轉變溫度區域主要起正面的影響，而P和S元素在材料沖擊韌性方面起極大的負面作用[1-5]。

Q345E鋼屬于亞共析鋼，其含碳量較低，本身具有良好的塑性、韌性。但是，Q345E風電法蘭在生產過程中，由于輾環機多道次成形的工作特點以及后續熱處理工藝的不當，極易產生帶狀組織。由于帶狀組織中鐵素體和珠光體呈條帶彼此相間分布，其相鄰組織各不相同，從而造成材料內部各向異性，造成低溫下沖擊韌性降低，尤其是橫向沖擊性能顯著降低。本文以風電法蘭用材料Q345E為研究對象，研究了不同級別帶狀組織對材料的低溫沖擊性能及拉伸性能的影響，為風電法蘭的生產提供理論依據。

1實驗材料及方法

試樣取自Q345E熱輾成型法蘭，將風電法蘭經最終熱處理后沿縱向(軋制方向)和橫向(垂直于軋制方向)分別取帶狀組織級別為0～5級各個級別的6組試樣，取樣位置如圖1所示。

圖1　取樣方向及沖擊試樣V形缺口方向示意圖

按照GB/T 2975—1998要求分別沿橫向、縱向切取圓棒試塊，然后按照GB/T 228—2010和GB/T 229—2007分別制備拉伸試樣和沖擊試樣。夏比V形缺口沖擊試樣的制備過程中，結合風電法蘭行業標準JB/T 11218—2011，切向沖擊試樣與軸向沖擊試樣的V形槽缺口的方向應朝向法蘭鍛件的連接面。此外，由于法蘭單邊寬度不足國標中R4號尺寸(d0=10 mm，L0=50 mm)的規定，故橫向拉伸試樣按EN/ISO 06892-1—2009標準制備。除了試樣的兩端頂部外，其余的表面粗糙度應小于Ra5 μm。

不同等級帶狀組織橫、縱向試樣的低溫沖擊試驗根據標準GB/T 229—2007執行，在JBW—500屏顯沖擊試驗機上進行沖擊試驗，試驗溫度為-50℃。每組試樣為同一位置切取的3個試樣，結果取平均值。按照GB/T 228—2010在萬能拉伸試驗機上進行不同等級帶狀組織橫、縱向試樣的拉伸試驗，試驗溫度為室溫。

2實驗結果及分析

2.1不同帶狀級別在-50℃時沖擊韌性分析

不同帶狀級別的橫、縱向沖擊試樣在-50℃進行沖擊試驗，分別得到縱向、橫向試樣的帶狀組織級別與沖擊吸收功關系曲線，如圖2所示。

圖2　不同帶狀等級的-50℃沖擊韌性

從圖2可以看到，隨著帶狀組織的加重，材料的沖擊吸收功逐漸降低。同一級別的帶狀組織，材料的橫向沖擊吸收功明顯低于其縱向沖擊吸收功。當帶狀組織等級為0級和1級時，橫向、縱向沖擊吸收功均可遠遠超出行業標準JB/T 11218—2011所規定的縱向3個試樣平均吸收能量(≥50 J)和橫向3個試樣平均吸收能量(≥30 J)。當帶狀組織等級≥3級時，產品的橫向低溫沖擊性能將極易出現不滿足標準要求的現象。當帶狀組織為4級左右時，產品縱向低溫沖擊韌性也將出現不合格現象。

眾所周知，由于多道次輾擴成形的特點，在變形過程中由于晶粒會向有利于變形的方向拉長，使得高溫時奧氏體晶粒取向相同，形成了具有明顯方向性的帶狀組織。由于帶狀組織相鄰帶的組織不同，鐵素體和珠光體之間存在較大的力學性能差異，隨著帶狀組織程度的加重，使得材料在低溫下塑韌性變差的現象暴露出來。

2.2拉伸試驗結果及分析

對不同等級帶狀組織的縱、橫向試樣分別進行拉伸試驗，其力學性能隨帶狀等級的變化分別如表1與表2所示。

表1　不同帶狀等級縱向試樣的力學性能

表1是不同帶狀等級縱向試樣的力學性能。分析表1中數據可以得出隨帶狀組織級別的增加，試樣的抗拉強度、屈服強度以及伸長率都有所降低，但是變化的幅度較小。

表2所示為不同帶狀級別橫向試樣的力學性能。同樣是隨帶狀組織級別的增加而小幅度降低?？梢钥闯?，帶狀組織對橫向試樣在室溫下拉伸性能影響不明顯。根據GB/T 1591—2008《低合金高強度鋼》的規定，橫、縱向試樣的的各項拉伸性能均符合要求。

由于帶狀組織的存在，鐵素體-珠光體帶之間由于相鄰組織不同而存在應力集中。隨帶狀組織嚴重性的增加，抗拉強度與屈服強度均有下降的趨勢，但是下降幅度較小，且都符合標準規定的拉伸性能。而縱向和橫向拉伸試驗數據表明，帶狀組織的方向性對材料的拉伸性能影響不明顯。

3結論

(1)在-50℃時，沖擊韌性隨帶狀組織級別的增加而顯著降低，橫向試樣沖擊吸收功明顯低于縱向試樣，橫向試樣的塑性明顯要低于縱向試樣。

(2)與無帶狀組織材料相比，帶狀組織材料的拉伸性能雖有下降，但幅值不大，且橫、縱向試樣的拉伸性能沒有明顯區別。

參考文獻

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[2]江利, 孫智, 吳玉萍，等. 現代金屬材料[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社, 2000.

[3]李長龍, 陳言俊, 梁如國，等. Q345鋼在低溫下的力學性能研究[J]. 山東建筑工程學院學報,2003, 18(1): 82-84.

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《大型鑄鍛件》編輯部

Influence of Banded Structure on Mechanical Property of Q345E Steel

Gao Xiao, Yang Renjie, Li Yingjie, Zhang Xiuzhi

Abstract：Taking Q345E steel used for wind power flange, the influence of banded structure on the tensile property and the low temperature impact property of the longitudinal and horizontal samples of Q345E steel have been studied. It turned out that the banded structure was more serious, the low temperature impact property of material was poorer. Meanwhile, the impact property of horizontal sample was lower than the impact property of longitudinal sample obviously. Although there was an influence of banded structure on the tensile property of material, the degree of effect was less. The influence of sampling positions on the tensile property was not obvious.

Key words：Q345E; wind power flange; banded structure; mechanical property

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基金項目：太原市科技資助項目(120224)。

收稿日期：2015—09—29

中圖分類號：TG115.5

文獻標志碼：A