悬索桥索夹用材ZG20Mn性能研究

李　琴　黄安明　陈远林

(德阳天元重工股份有限公司，四川618000)



悬索桥索夹用材ZG20Mn性能研究

李琴黄安明陈远林

(德阳天元重工股份有限公司，四川618000)

利用光学显微镜、光谱分析仪、力学万能试验机和半自动冲击试验机研究了悬索桥索夹常用材料ZG20Mn在不同热处理方式下的显微组织、常温力学性能和抗低温冲击性能。研究结果表明：经调质处理的ZG20Mn不仅可以提高索夹的常温综合力学性能，还可明显改善索夹的抗低温冲击韧性，为在不同环境温度条件下选择合理的热处理工艺方案提供了设计参考依据。

悬索桥；索夹；ZG20Mn；显微组织；力学性能

索夹作为悬索桥关键的上部核心受力部件，其作用是将吊索和主缆联接在一起，将吊索承载的桥梁自重载荷和桥面载荷传递给主缆。悬索桥索夹的结构类型分为骑跨式和销接式两大类，而销接式索夹又可分为上下半销接式和左右半销接式。两类结构索夹最后在安装时，都是通过高强度螺栓将两半锁合抱紧在主缆上(图1)。成桥后，索夹在服役的过程中，当桥面载荷发生明显波动时，由吊索传递给索夹的作用力，将会使索夹受到反复的冲击作用。特别是对于销接式索夹下半块耳板部位，这种反复冲击作用的影响更加直接和明显。

我国幅员辽阔，目前建设的悬索桥无论是分布在北边高寒地区还是分布在南边热带地区(或者是国内的“火炉”地区)，索夹大都是使用同种材料以及相同的热处理要求，但不同地域之间的环境极端温度相差可达八九十度。在不同的环境温度下，索夹材料的抗冲击能力不同。因此，为了保证悬索桥的使用安全，研究索夹铸钢材料的力学性能特别是抗低温性能具有一定现实意义。

ZG20Mn钢属铸造低合金钢，该钢种材料含碳量低，比较适合铸造生产[1]，且具有良好的力学性能，材料的可焊性好，易于机械加工等。基于以上优越性能，目前国内悬索桥索夹通常采用铸钢ZG20Mn材料来制作索夹本体。ZG20Mn钢热处理工艺通常为正火+回火或调质处理[2]，这两种热处理工艺的低温冲击性能目前均没有相应的国家标准规定，但低温冲击性能的优劣直接关乎索夹的低温脆性问题。

(a)骑跨式　　　　　　　　　　(b)左右半销接式　　　　(c)上下半销接式

综上所述，本文旨在通过研究ZG20Mn钢在不同热处理方式下的常温力学性能及抗低温冲击性能，探索该钢种材料的索夹应用在不同环境条件下时应该选取的热处理方案，从而提高索夹的综合力学性能以满足使用要求，更好地保障悬索桥的使用安全。

1　试验

1.1试样制备

在进行某大桥索夹生产的过程中，对不同热处理条件下的ZG20Mn进行了室温力学性能和抗低温冲击性能的研究。

某大桥索夹铸造所用原材料为精选废钢和含有不同合金元素的其它金属及合金，如硅铁、锰铁等。钢水熔炼充分炉温达1 600℃时出炉，转入钢包后进行吹氩精炼、拔渣，静置2 min～3 min，待温度降至1 570℃左右时浇注到预先制备好的砂型中。铸件在砂型中进行保温冷却，然后开箱、落砂清理。选取不同炉号的6件索夹毛坯铸件，每个铸件切取1件附铸试块用于试验，试验用附铸试块的尺寸为40 mm×40 mm×260 mm。将6件试块分为两组，分别编号为Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3(图2)。

按JB/T 6402—2006，ZG20Mn化学成分和力学性能要求分别见表1和表2。

采用GS-1000直读光谱分析仪对Ⅰ组试样和Ⅱ组试样进行化学成分分析。用蔡康DMM-480C光学显微镜观察显微组织。室温拉伸试样采用∅10 mm×50 mm标准试样，拉伸、冲击试样的尺寸如图3所示。在WDE-300电子式万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为5 mm/min，在JB-300B半自动冲击试验机上进行冲击试验，每件试块取3个试样求平均值。采用HB-3000B-1硬度仪测量布氏硬度，载荷为7 350 N，加载时间15 s，每个样品测10个数据，取其平均值。

1.2热处理试验

本实验中Ⅰ组试样进行奥氏体化后空冷+高温回火热处理，Ⅱ组试样进行奥氏体化后水冷+高温回火热处理(调质处理)，其工艺曲线见图4。

(a)铸件毛坯

(b)附铸试块

表1　ZG20Mn的化学成分要求(质量分数，%)

表2　ZG20Mn的力学性能要求

ZG20Mn铸钢件奥氏体化温度宜选取920℃±10℃。温度过低会使奥氏体化不完全，导致部分铁素体保留，严重影响铸件热处理组织及性能。温度过高，保温时间过长则会引起奥氏体晶粒粗化，由细晶强化理论可知，粗大晶粒会降低材料的强度及塑韧性。

图3　拉伸试样和冲击试样尺寸图

(a)奥氏体化后空冷+高温回火

(b)奥氏体化后水冷+高温回火

2　试验结果与分析

2.1化学成分

在试块热处理前进行材料化学成分检测，结果见表3。可以看出，两组试样的化学成分均控制在标准范围内。

2.2显微组织

图5～图7为Ⅰ组试样和Ⅱ组试样经不同热处理后的光学显微组织。通过分析发现，Ⅰ组试样经920℃奥氏体化后空冷+610℃回火后的显微组织为铁素体+珠光体，其中灰白色细小晶粒为铁素体，黑色块状为珠光体，因放大倍数较低，珠光体中的层状结构未能清晰显示出来，故呈黑色块状。Ⅱ组试样不同厚度区域经920℃奥氏体化后水冷的显微组织在试样离表面1/3处为马氏体+少量残余奥氏体，而在试样心部由于冷却速度减小，出现少量贝氏体组织。水冷后高温回火，马氏体组织转变由M→M′+ε碳化物→α相+细粒状Fe3C，随着温度的升高，保温时间的延长，细粒状Fe3C长大，最终组织为α相+粗大Fe3C，即回火索氏体。残余奥氏体组织转变由A′→α相+ε碳化物，随着温度的升高，α相发生回复与再结晶，温度大于600℃后，结晶完成，转变为等轴状α相。

表3　试块的化学成分检测结果(质量分数，%)

2.3力学性能

2.3.1常温力学性能

改善材料力学性能的方法有诸多方面，其中通过相变热处理改善组织是提高金属材料力学性能的重要措施。两组试块经不同方式热处理后，分别取试样检测其力学性能，如表4所示。可以看出，两组试样的检测结果均能满足标准的相应要求。

(a)100×

(b)500×

(a)距表面1/3处

(b)心部

对比可知，经过调质热处理的Ⅱ组试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率均高于Ⅰ组试样，硬度值两组数值差别不大。常温冲击功Ⅰ组试样平均63 J，Ⅱ组试样平均98 J。从试验数据可以看出，经调质热处理后，Ⅱ组试样不仅具有良好的常温冲击韧性，而且其常温综合力学性能明显优于Ⅰ组试样。

(a)100×

(b)500×

2.3.2低温冲击韧性

铸件在低温时强度普遍增加，而塑性和韧性下降，并对缺口的敏感性增大，易引起低温脆断。因此，铸件的低温力学性能常用低温冲击韧性表示[3]。JB/T 6402—2006中的冲击功为室温冲击值，对低温冲击性能未作要求。在国外悬索桥项目资料中，发现多数用于索夹的铸钢件的材料标准中几乎都规定有低温条件下的冲击功指标，参考国外索夹铸钢件检测低温冲击指标的温度，确定对不同热处理工艺下的ZG20Mn材料进行常温、-20℃和-40℃三种温度条件下冲击功测试，测试结果见表4。

对比两种热处理工艺试样的低温冲击值可以看出，两组试样的冲击功指标均随温度的下降而降低，但经过调质处理的Ⅱ组试样的低温性能指标优于Ⅰ组试样。在-20℃时Ⅱ组冲击功平均值为77.7 J，约是Ⅰ组试样的1.7倍。在-40℃时Ⅱ组冲击功平均值为55 J，是Ⅰ组试样的2倍。

一些国外悬索桥索夹采用的欧标铸钢件G20Mn5材料，欧洲标准EN 10293：2005中对材料G20Mn5的-40℃冲击功要求不小于27J，可以看出，经过调质热处理的Ⅱ组试样的低温性能指标可以达到欧洲标准要求。从试验结果看出，如果对ZG20Mn钢选用调质处理，不但可以使索夹满足相关强度计算要求，还使索夹具备了良好的抗低温冲击性能，即铸件的强度和塑韧性获得良好的搭配，可以确保这种材料的索夹在严寒气候环境条件下的安全使用。

表4　Ⅰ组试样和Ⅱ组试样的力学性能检测结果

2.4结果分析

Ⅰ组试验方案热处理实质是完全奥氏体化加伪共析转变，因此组织中铁素体数量较少，珠光体组织较细，钢的强度、硬度较高[4]。再经回火炉冷的主要目的是消除工件内应力，所以最终组织仍为铁素体+珠光体。

Ⅱ组试验方案奥氏体化后水冷是为了获得马氏体组织，马氏体和残余奥氏体均为不稳定相，在常温状态下易发生转变，故会引起工件形状、尺寸及组织变化。因此，水冷后需立即回火处理，以保证组织转变，使压稳结构转变为稳定相，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，同时消除内应力，以满足工件的各项性能要求[5]。另外，回火后采用冷却速度较快的空冷以避免回火脆性的产生。

内部组织决定其力学性能，两组试样经不同热处理后，最终组织不同导致力学性能各异，特别是低温冲击功。由于Ⅰ组试样中单独存在体心立方的铁素体，其在低温条件下会发生脆化现象[6]，因此，会提高钢的韧脆转变温度，恶化钢的低温冲击韧性。另外，Ⅰ组试样内部组织是由过冷奥氏体直接分解得到的，其中碳化物呈片状分布，由于片状碳化物在受力时会使基体产生很大的应力集中，易使碳化物脆断或形成微裂纹，减弱基体强度及塑韧性。而Ⅱ组试样热处理后的组织以回火索氏体为主，其也是铁素体和碳化物组成的机械混合物，这里的铁素体是过冷奥氏体通过晶格切变形成的，且呈颗粒状分布，根据最小能量原理，粒状碳化物造成的应力集中小，不易产生微裂纹，同时，还对基体起到固溶强化作用，使基体的强度、塑韧性均得到改善。

3　结论

在气候适宜常年气温保持在0℃以上的地区，对索夹材料规定采取正火+回火的方案是合适的，因为ZG20Mn合金元素含量低，在保证索夹强度满足使用要求的前提下，操作相对简单，经济性较好。然而对于气候环境较差，冬季较长且平均气温在0℃以下的寒冷地区，应特别考虑索夹材料的低温冲击韧性。对于ZG20Mn钢采用调质方案进行热处理，可获得综合性能良好且较正回火抗低温冲击功性能更高的铸件。因此，在设计阶段确定索夹的技术要求时，不可忽略项目所在地气候环境的影响因素，索夹在不同环境条件下使用应采用不同的制造工艺方案，甚至选用具有更高性能要求的材料牌号以适应当地环境条件，从而确保索夹产品在使用中的安全可靠，保障整座桥梁的运营安全。

[1]沈猛，铁金艳，章舟.铸钢生产使用手册[M].北京：化学工艺出版社，2013.

[2]孙宝珍.合金钢手册(上册)[M].北京：冶金工业出版，1984.

[3]房贵如，陈琦.铸造企业质量管理及检验[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[5]朱景川，王洋，尤逢海，等.TA15钛合金的形变热处理[J].材料热处理学报，2007，28(S1)：106-109.

[6]王松林，任秀凤，张永庆，等.影响09MnNiD钢锻件低温冲击韧性的因素及对策[J].大型铸锻件，2015(2)：26-29.

编辑杜青泉

Study on Properties of ZG20Mn Used for Cable Clamp of Suspension Bridge

Li Qin, Huang An′ming, Chen Yuanlin

By adopting the optical microscopes, the optical spectrum analyzer, the universal mechanical property testing machine and the semi-automatic impact testing machine, the microstructure, the mechanical properties at room temperature and the low-temperature resistance impact property of ZG20Mn used for cable clamp of suspension bridge with different heat treatment processes have been studied. The results show that after quenching and tempering process, not only the comprehensive mechanical properties of cable clamp can be improved, but also the low-temperature resistance impact toughness of cable clamp can be improved obviously, so as to provide the design reference data to choose the reasonable heat treatment process under different ambient temperatures.

suspension bridge; cable clamp; ZG20Mn; microstructure; mechanical property

2016—03—10

李琴(1987—)，女，硕士，助理工程师，从事悬索桥上部核心受力部件的设计与开发。

TG156

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