铁塔用460 MPa级大型角钢的组织与性能

李广龙 李文斌 丁 宁 金耀辉 方志刚 翟利平

(1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司大型厂，辽宁 鞍山 114009；3.鞍钢股份有限公司科技质量部，辽宁 鞍山 114009)

输电铁塔主要采用角钢制作[1]，用量大且广泛。但是长期以来，我国输电铁塔较少使用高强度角钢而以Q235TB和Q345TB钢为主。该级别的铁塔用角钢，其强度、韧性等性能难以满足恶劣环境中使用的要求，特别是在有冰冻等的寒冷地带或季节，结冰、积雪会造成铁塔负荷增大，甚至导致铁塔倒塌[2-4]。高强度角钢特指屈服强度420 MPa及以上级别的角钢，高强度、高韧性角钢可满足特殊、复杂结构的受力要求，并能降低建筑结构的自重，弱化钢材由于厚度的增加强度降低的厚度效应。研究表明[5]，在同样负荷条件下，与345 MPa级角钢相比，采用420 MPa级角钢可减轻铁塔质量4.9%～7.8%，采用460 MPa级角钢可减轻铁塔质量7.7%～11.3%。另外，目前国内外铁塔采用的角钢型号也趋于大型化，大型铁塔角钢的使用能改善输电铁塔的承重性能，从而进一步降低铁塔的质量。因此，铁塔用高强度、高韧性大型角钢的使用可以提高输电铁塔结构的安全性、可靠性以及环境的适应性。

本文研究了采用截面尺寸为280 mm×380 mm的连铸坯生产厚度35 mm、屈服强度460 MPa级的25号高强度、高韧性铁塔角钢的组织和性能，并捡测了其截面的组织和力学性能的均匀性。

1 试验材料及方法

试样取自某钢厂生产的460 MPa级铁塔用25号角钢，厚度为35 mm，角钢化学成分(质量分数，%)为：0.15C，0.25Si，1.45Mn，0.010P，0.003S，0.08V，0.008N，余量为Fe及其他杂质。制作工艺路线为：转炉冶炼→LF精炼→280 mm×380 mm方坯连铸→轧制→冷却。轧制工艺参数为：连铸坯加热温度(1 200±20)℃，保温时间1 h，始轧温度1 080～1 150 ℃，终轧温度约900 ℃，轧制后空冷。

在距离角钢头部500 mm处取长度为600 mm的检验用试块。为了综合评价角钢的截面组织性能的均匀性，在角钢的边部、角部切取金相、拉伸和冲击试样，取样位置见图1。拉伸试样和冲击试样均为纵向试样，冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，拉伸试验在Z1200材料试验机上进行，冲击试验在ZBC2602全自动冲击试验机上进行。冲击试验温度为20、0、-20 、-40 、-60、-80和-100 ℃，每一试验温度测3个试样，取平均值。测定每组冲击试样的脆性断面率，并根据脆性断面率判断钢的韧-脆转变温度(FATT50)[6]。金相试样经研磨、抛光和腐蚀后，采用DMI5000M光学显微镜观察。制备萃取复型试样，在Tecnai G2 20型透射电子显微镜上观察析出物的形态，并通过X射线衍射光谱仪分析析出相的种类。

2 试验结果

2.1 力学性能

角钢不同部位的力学性能如表1所示。可以看出，角钢边部的屈服强度达到了460 MPa级的要求，且有较大的富余量，甚至可以达到500 MPa级；角部的屈服强度也达到了460 MPa级的要求，但比边部略低；角钢截面不同部位的冲击韧性随冲击试验温度的变化如图2所示。可以看出，角钢不同部位的-40 ℃冲击吸收能量都大于40 J，满足标准要求。

图1 在角钢上取样的示意图Fig.1 Illustration of taking samples from the angle steel

表1 角钢截面不同部位的力学性能Table 1 Mechanical properties in different positions of the angle steel section

但是角钢边部和角部之间有差别：边部-40 ℃的冲击吸收能量大于80 J，韧-脆转变温度约为-43 ℃，而角部-40 ℃的冲击吸收能量大于40 J，韧-脆转变温度约为-36 ℃。

2.2 显微组织

角钢边部和角部的显微组织如图3所示。可以看出，角钢边部和角部的显微组织均为铁素体+珠光体。但是晶粒尺寸不同，边部晶粒尺寸小，晶粒度约为9级，角部晶粒尺寸略大，晶粒度约为7.5级。这是由于角钢角部较边部厚，因此其压下率相对较小，轧后的冷却速度较缓慢，导致其晶粒比边部粗大。

2.3 析出相

采用透射电镜检测角钢截面不同部位的析出相，结果如图4所示。可以看出，角钢截面不同部位析出相的数量有差异，角部析出相的数量多于边部，且分布更弥散。为了解角钢第二相的析出行为，对析出相的成分进行能谱分析，结果如图5所示。图5表明，角钢截面不同部位的析出相主要为V(C, N)。析出相数量有差异的原因是，在角钢的轧后冷却过程中，角部的冷却比边部慢，在高温区停留的时间长，因此在相同的冷却时间内，角部具有较高的温度，有研究表明[7-8]，在轧后钢材的冷却过程中，缓慢的冷却和长时间的高温区停留，更有利于V(C, N)的析出。

图2 角钢截面不同部位的冲击韧性和脆性断面率随冲击试验温度的变化Fig.2 Variation of impact toughness and brittle fracture rate in different positions of angle steel section with impact test temperature

图3 角钢截面不同部位的显微组织Fig.3 Microstructures in different positions of the angle steel section

图4 角钢截面不同部位的透射电镜照片Fig.4 TEM micrographs in different positions of the angle steel section

3 分析讨论

角钢是采用孔型轧制的，受角钢的形状、轧制条件和装备条件的限制，其道次压下量比较固定，且道次压下率较小。因此，传统的低温大压下等细化晶粒的措施都难以实现，只能在奥氏体再结晶区采用多道次的轻压下轧制。

图5 角钢的能谱分析Fig.5 Energy spectrum analysis of the angle steel

而且由于生产过程中往往采用较高的加热温度，容易造成角钢原奥氏体晶粒粗化，加上轧制的道次压下量不大等因素，很容易使角钢最终的晶粒粗大，从而影响角钢的性能。另外，角钢的边部与角部之间存在一定的尺寸差异，导致轧制时的变形量和冷却过程中的温度变化存在差异，从而造成其截面性能不均匀。对于本文研究的角钢，以钒和氮微合金化的成分设计[9]能提高角钢的力学性能及其均匀性。

根据第二相Orowan强化机制，钢中析出的第二相数量越多、尺寸越小，则强化作用越明显。由透射电镜分析结果可知，角钢边部与角部的析出相数量相当，但是角部的析出相尺寸小，这是角部强度较高的主要原因。根据钢的强化理论和Hall-Petch公式，对于铁素体-珠光体型的结构钢，钢的屈服强度由式(1)计算：

RYS=RO+RS+RP+RG

(1)

式中：Ro为基体的晶格力；Rs为固溶强化对屈服强度的贡献值；Rp为析出强化对屈服强度的贡献值；RG为细晶强化对屈服强度的贡献值。同一成分的钢，晶格力和固溶强化对屈服强度的贡献是固定的，但是析出强化和细晶强化对屈服强度的贡献是不同的。对于本文研究的角钢，其边部和角部的成分是相同的，因此式(1)中前两项对钢屈服强度的贡献是一致的，而边部细晶强化对屈服强度的贡献则大于角部，析出强化对屈服强度的贡献小于角部，二者的综合作用使得角钢截面的强度趋于均匀。

4 结论

(1)对于大型、高强度铁塔用角钢，通过加入微量的钒和氮元素，利用析出的第二相粒子强化能提高角钢的力学性能及其均匀性。

(2)角钢截面不同部位的屈服强度都能达到460 MPa级的要求，富余量很大，角部的屈服强度小于边部。不同部位-40 ℃的冲击吸收能量都大于40 J。边部FATT50约为-43 ℃，角部FATT50约为-36 ℃。

(3)角钢截面不同部位的显微组织均为铁素体和珠光体，但边部的晶粒尺寸小于角部；角部的析出相数量比边部多，分布更弥散，能减小由于组织差异造成的强度差异。