带状组织对Q345E钢力学性能的影响

高　潇　杨仁杰　李英杰　张秀芝

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)



带状组织对Q345E钢力学性能的影响

高潇杨仁杰李英杰张秀芝

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

摘要：以风电法兰用钢Q345E为研究对象，研究了带状组织等级对Q345E钢纵向和横向拉伸性能与低温冲击性能的影响。研究结果表明，带状组织越严重，材料的低温冲击性能越差，而且横向试样的冲击功明显低于纵向试样的冲击功。带状组织对材料的拉伸性能虽有影响，但幅值较小。试样的取向对材料的拉伸性能影响不明显。

关键词：Q345E钢；风电法兰；带状组织；力学性能

风电法兰由于其工作位置的关键性(连接塔筒，位置较高，不易更换和维修)和工作气候的特殊性(风力强，温差大，温度低)，对低温冲击性能等各项力学性能均有较高的要求。钢材中C、Mn、Si等合金元素对低温脆性转变温度区域主要起正面的影响，而P和S元素在材料冲击韧性方面起极大的负面作用[1-5]。

Q345E钢属于亚共析钢，其含碳量较低，本身具有良好的塑性、韧性。但是，Q345E风电法兰在生产过程中，由于辗环机多道次成形的工作特点以及后续热处理工艺的不当，极易产生带状组织。由于带状组织中铁素体和珠光体呈条带彼此相间分布，其相邻组织各不相同，从而造成材料内部各向异性，造成低温下冲击韧性降低，尤其是横向冲击性能显著降低。本文以风电法兰用材料Q345E为研究对象，研究了不同级别带状组织对材料的低温冲击性能及拉伸性能的影响，为风电法兰的生产提供理论依据。

1实验材料及方法

试样取自Q345E热辗成型法兰，将风电法兰经最终热处理后沿纵向(轧制方向)和横向(垂直于轧制方向)分别取带状组织级别为0～5级各个级别的6组试样，取样位置如图1所示。

图1　取样方向及冲击试样V形缺口方向示意图

按照GB/T 2975—1998要求分别沿横向、纵向切取圆棒试块，然后按照GB/T 228—2010和GB/T 229—2007分别制备拉伸试样和冲击试样。夏比V形缺口冲击试样的制备过程中，结合风电法兰行业标准JB/T 11218—2011，切向冲击试样与轴向冲击试样的V形槽缺口的方向应朝向法兰锻件的连接面。此外，由于法兰单边宽度不足国标中R4号尺寸(d0=10 mm，L0=50 mm)的规定，故横向拉伸试样按EN/ISO 06892-1—2009标准制备。除了试样的两端顶部外，其余的表面粗糙度应小于Ra5 μm。

不同等级带状组织横、纵向试样的低温冲击试验根据标准GB/T 229—2007执行，在JBW—500屏显冲击试验机上进行冲击试验，试验温度为-50℃。每组试样为同一位置切取的3个试样，结果取平均值。按照GB/T 228—2010在万能拉伸试验机上进行不同等级带状组织横、纵向试样的拉伸试验，试验温度为室温。

2实验结果及分析

2.1不同带状级别在-50℃时冲击韧性分析

不同带状级别的横、纵向冲击试样在-50℃进行冲击试验，分别得到纵向、横向试样的带状组织级别与冲击吸收功关系曲线，如图2所示。

图2　不同带状等级的-50℃冲击韧性

从图2可以看到，随着带状组织的加重，材料的冲击吸收功逐渐降低。同一级别的带状组织，材料的横向冲击吸收功明显低于其纵向冲击吸收功。当带状组织等级为0级和1级时，横向、纵向冲击吸收功均可远远超出行业标准JB/T 11218—2011所规定的纵向3个试样平均吸收能量(≥50 J)和横向3个试样平均吸收能量(≥30 J)。当带状组织等级≥3级时，产品的横向低温冲击性能将极易出现不满足标准要求的现象。当带状组织为4级左右时，产品纵向低温冲击韧性也将出现不合格现象。

众所周知，由于多道次辗扩成形的特点，在变形过程中由于晶粒会向有利于变形的方向拉长，使得高温时奥氏体晶粒取向相同，形成了具有明显方向性的带状组织。由于带状组织相邻带的组织不同，铁素体和珠光体之间存在较大的力学性能差异，随着带状组织程度的加重，使得材料在低温下塑韧性变差的现象暴露出来。

2.2拉伸试验结果及分析

对不同等级带状组织的纵、横向试样分别进行拉伸试验，其力学性能随带状等级的变化分别如表1与表2所示。

表1　不同带状等级纵向试样的力学性能

表1是不同带状等级纵向试样的力学性能。分析表1中数据可以得出随带状组织级别的增加，试样的抗拉强度、屈服强度以及伸长率都有所降低，但是变化的幅度较小。

表2所示为不同带状级别横向试样的力学性能。同样是随带状组织级别的增加而小幅度降低。可以看出，带状组织对横向试样在室温下拉伸性能影响不明显。根据GB/T 1591—2008《低合金高强度钢》的规定，横、纵向试样的的各项拉伸性能均符合要求。

由于带状组织的存在，铁素体-珠光体带之间由于相邻组织不同而存在应力集中。随带状组织严重性的增加，抗拉强度与屈服强度均有下降的趋势，但是下降幅度较小，且都符合标准规定的拉伸性能。而纵向和横向拉伸试验数据表明，带状组织的方向性对材料的拉伸性能影响不明显。

3结论

(1)在-50℃时，冲击韧性随带状组织级别的增加而显著降低，横向试样冲击吸收功明显低于纵向试样，横向试样的塑性明显要低于纵向试样。

(2)与无带状组织材料相比，带状组织材料的拉伸性能虽有下降，但幅值不大，且横、纵向试样的拉伸性能没有明显区别。

参考文献

[1]中国机械工程协会热处理协会编. 热处理手册第四版[M]：第二卷典型零件热处理. 北京: 机械工业出版社, 2008.

[2]江利, 孙智, 吴玉萍，等. 现代金属材料[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2000.

[3]李长龙, 陈言俊, 梁如国，等. Q345钢在低温下的力学性能研究[J]. 山东建筑工程学院学报,2003, 18(1): 82-84.

[4]齐建军, 李绍杰, 赵春风. 微合金元素对Q345E棒材低温韧性的影响[J]. 热加工工艺, 2009, 38(10): 80-83.

[5]唐帅, 刘振宇, 王国栋，等. 正火温度对低碳微合金钢Z向性能的影响[J]. 金属热处理, 2009, 34(7): 46-49.

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《大型铸锻件》编辑部

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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基金项目：太原市科技资助项目(120224)。

收稿日期：2015—09—29

中图分类号：TG115.5

文献标志码：A