高强度钢材低温冲击韧性试验研究

王云川

（攀钢西昌钢钒有限公司制造部，四川 西昌 615000）

近年来，高强度钢材在国内外的实际工程中获得了越来越多的应用，如中央电视台新台址大楼就采用了690MPa的高强度钢材，澳大利亚悉尼的Grosvenor place大楼也是采用的高强度钢材，日本横滨的Landmark Tower大厦也采用了600MPa的钢材。伴随着我国冶金装备和冶金技术的不断提升，在钢材微合金化和轧制控制技术的基础上，通过结构的进一步优化、钢材基体的强化、细晶强化以及熔体净化等的共同作用，推进了新型的高强度、高性能的钢材研发与应用。目前国家标准GB/T1591-2008中较为常用的低合金高强度结构钢为Q345、Q390、Q420 以及Q460 等。由于我国有大部分区域处于较为寒冷的地区，尤其是在气候变化较为异常的情况下，常常受到寒潮的侵袭，而低温则较为容易降低结构钢材的韧性，因此，低温脆性对于高强度钢材来说是不容忽视的问题。本文主要对结构用的高强度钢在低温条件下的冲击韧性开展试验研究，以期获得钢材的冲击功值Akv与温度之间的变化规律，同时将该钢材的冲击功值Akv与Q345钢的冲击功值Akv进行对比，以得到冲击功值Akv和强度、低温等方面的规律，同时也为研究断裂韧性和冲击韧性两者之间的关系提供依据。

1 试验概况

1.1 试验目的

此次冲击韧性试验主要依据国家标准GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法来开展试验。所选择的温度范围是-60～20℃，间距为20℃，共5个温度点。在每个温度点上则选用3个平行试样，具体的试样分组以及标识见表1。试验所使用的试样为V型缺口的样品，检测各温度点的冲击功大小，获得冲击功大小与温度之间的变化规律，进而研究韧脆转变温度，从而给钢材的结构设计提供数据支撑。

表1 高强度钢材的低温冲击功值

1.2 试验用材、尺寸及其设备

试验所选用的是控轧态的10mm厚的钢板，同时其技术指标均满足国家标准GB/T1591-2008低合金高强度结构钢的要求，其化学成分见表2。试样依照相关的标准尺寸进行制作，要求试样缺口底部要保持光滑，同时要注意试样在加工过程中因加工硬化或者加热过高而导致试样的冲击性能受到影响。

由于所检测的是纵向冲击功，因此试样的缺口方向要与钢板的轧向一致。试验主要在SANS摆锤式冲击试验机上进行，在进行冲击试验前，应把试样放置在保温箱中进行冷却，冷却液选用的是液氮和酒精的混合液体。

表2 强度结构用钢材的化学成分

2 试验结果

图1为高强度钢材的冲击韧性与温度之间的变化关系图。由于高强度钢材的冲击功值与温度相关，通常伴随温度的变化而发生变化，相应的韧性值也会发生变化，因此，在进行冲击试验时应在规定的温度下开展试验，高强度钢材随温度改变的冲击试验数据见表1。为了更直接的观察到高强度钢材的低温冲击韧性值，特将表1中的V型缺口冲击功值的数据制成冲击吸收能量与温度之间的关系曲线，见图1。

图1 高强度钢材的冲击韧性与温度之间的变化关系图

由图1可知，随着温度的下降，高强度钢材的冲击功值则快速下降，表现出的低温脆性特征较为显著。比较-60℃和20℃时的冲击功值Akv可知，其值从20℃到-60℃时下降了62．11%，由此可知，高强度钢材在低温时则相当敏感。而相关的国家标准中规定，该类型的高强度钢材的纵向冲击功值Akv在几个温度（0℃、-20℃和-40℃）下都不小于34J。然而根据表1的结果，此次试验所获得的高强度钢材在-20℃及以下温度时的冲击功值Akv并未满足标准的规定。因此，在对结构用钢进行设计时，要考虑相关的预防低温脆性的方案。

试验还进行了进一步的验证，如将该高强度钢材与Q345钢不同厚度的冲击功值Akv进行比较，可知，高强度钢材的断裂韧性除了与厚度相关外，同时还与强度存在着一定的联系。比较10mm厚的高强度钢材和14mm、18mm、22mm和24mm厚的Q345钢冲击功值Akv，其结果见图2。由图2可知，在20～-20℃这一区间，10mm厚的高强度钢材的冲击功值Akv均比14mm、18mm、22mm和24mm厚的Q345钢冲击功值Akv低，其顺序为24mm→22mm→18mm→14mm。然而在-20～-60℃这一区间内，在-60℃时，10mm厚的高强度钢材的冲击功值Akv均高于不同厚度的Q345钢的冲击功值Akv。在-40℃时，10mm厚的高强度钢材的冲击功值Akv则介于厚度24mm、22mm和厚度18mm、14mm之间。通过分析结果可知，高强度结构用钢材的厚度和强度对低温冲击韧性存在着一定的影响因素，当温度低于-20℃时，该高强度钢材与Q345钢进行比较，其低温脆性对厚度的影响更为显著一些。

图2 高强度钢材与Q345钢不同厚度的冲击功值Akv

通常情况下，工程上将韧脆转变温度看成是预防断裂的关键的判断依据。然而一般情况下，试验数据的离散性都比较大，通常采用合适的函数来拟合冲击功值与温度的曲线。众多的试验数据结果表明，借助Boltzmann 函数来回归分析冲击功值与温度的变化情况则较为合理，其残差较小，且具有很好的相关性。

其中Akv为冲击功值，T为温度，A2为上平台能，A1为下平台能，x0为韧脆转变温度，Δx则为转为温度区的温度范围，Δx越小，表现出来则是钢材从塑性向脆性转变较为容易。

将高强度钢材的冲击功值Akv与不同厚度的Q345钢的冲击功值Akv进行Boltzmann 函数拟合，其所获得的拟合结果见图4。其中较为详细的高强度钢材的Boltzmann拟合参数见表3。通过表3和图4的结果可知，10mm厚的高强钢材和4种规格厚度的Q345钢进行对比，高强度钢材的上平台能则是最低的，同时韧脆转变温度值也最高，从而可以说明该高强度钢材对低温相对较为敏感。

表3 高强度钢材的Boltzmann函数的拟合参数

图4 高强度钢材冲击功值Boltzmann拟合参数和不同厚度的Q345钢比较

3 结语

通过试验结果可知，随着温度的逐渐下降，高强度钢材的冲击功值会逐渐下降，且下降幅度较为迅速，从而冲击韧性会恶化。当前试验所使用的高强度钢材，其在10mm厚时的冲击功值Akv在一定温度下，并没有满足当前我国国家标准规定的规定值34J的要求，因此，需要对该钢材的化学成分以及加工工艺进行必要的优化与调整。通过Boltzmann 函数对高强度钢材进行拟合分析，其相关性较好，拟合结果显示，其上下平台能均很小，其韧脆转变的温度点约在零下10．9℃，其转变温度区的温度期间大约是3．4℃。通过理论计算结果表明，该高强度钢材在-10．9℃这样的低温环境下，易于发生韧脆转变。通过试验结果还可知，高强度钢材的断裂韧性除了与厚度有关联外，与强度也存在相应的联系，当温度处于-20℃时，高强度钢材的强度对低温脆性的作用的影响程度并未有Q345 钢材的厚度对其低温脆性的影响程度显著。

参考文献：

[1] 王元清,胡宗文,石永久,等．结构钢厚板低温冲击韧性试验研究[J]．哈尔滨工程大学学报, 2010, 31(9):1179-1184．

[2] 卢建华．橡胶粉改牲水泥混凝土抗冲击韧性试验研究[J]．交通运输研究, 2012(4):89-91．