G20Mn5悬索桥索夹用铸钢调质性能研究

苏兰 石红昌 黄安明 陈龙

(德阳天元重工股份有限公司技术部，四川 德阳 618000)

悬索桥造型优美，结构受力合理，跨越能力强，是跨越宽阔水域和深切峡谷的最理想桥型之一，索夹是悬索桥上部悬吊系统关键的受力部件，在实际的结构中，通过吊索将桥梁所承受的桥梁自重载荷和桥面所受载荷传递给主缆[1-2]。

目前，悬索桥的索夹通常采用一体铸造成形，铸件结构具有外形美观、应力传导性好、能保证工程质量等优势，解决了复杂钢结构施工难度大的问题。国内悬索桥的索夹通常选用ZG20Mn，标准规定调质屈服强度ReH≥300 MPa，抗拉强度Rm为500～650 MPa，常温冲击韧性KV2≥45 J[3]。目前，随着交通强国战略的实施，中国规划了多座主跨度超过2000 m的悬索桥，为了适应2000 m以上跨度悬索桥的巨大载荷，同时不能无限加大索夹的外形尺寸，并且根据桥位所处的环境需求，有些需要索夹满足低温冲击韧性要求，因此需要研究新型铸钢材料[4]来满足既可承受大跨度悬索桥的巨大载荷，同时实现其材料制作的索夹重量轻型化并满足低温韧性的目的。本文以欧洲悬索桥索夹常用的低合金铸钢G20Mn5为研究对象，对其进行调质处理，并分析其组织及力学性能[5-11]，从而为确定索夹用钢G20Mn5的热处理工艺提供试验依据，为G20Mn5在大跨度悬索桥索夹中的应用提供试验及理论支撑。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验所用材料为G20Mn5铸钢，其尺寸为100 mm×300 mm×300 mm。钢板的实测化学成分及EN 10293-2015对G20Mn5化学成分的要求如表1所示。从表1可以看出，本试验所采用的G20Mn5铸钢的化学成分完全符合标准要求。

表1 G20Mn5的化学成分标准要求及实测值(质量分数，%)Table 1 Chemical composition standard requirements and measured values of G20Mn5 (mass fraction,%)

1.2 调质处理

调质处理是指对淬火后的金属进行高温回火的热处理工艺，其目的是使工件具有良好的综合力学性能。本试验采用的调质处理工艺为920℃淬火+660℃回火。具体过程为：试样被加热至920℃后，保温3 h使之完全奥氏体化，然后水冷淬火。随后试样被再次加热至660℃，保温6 h后空冷。

1.3 性能测定

索夹的试块及铸件本身要求遵守EN 1559-1:2011及EN 1559-2:2014铸造技术交货条件。按照EN 1559-2:2014的要求，当相关壁厚超过56 mm时，试块尺寸应采用t×3t×3t，其中t为相关壁厚。由于索夹相关壁厚为t=100 mm，因此确定索夹试块尺寸为100 mm×300 mm×300 mm。按照标准要求，进行力学性能测试的样品应该在距表面1/4处取样，具体取样位置见图1。

图1 力学性能试样取样位置图Figure 1 Sampling location for mechanical properties test

利用WDE-300万能试验机进行拉伸试验，拉伸试样为∅10 mm的标准试样，标距为50 mm。

采用JB-300B冲击试验机进行冲击试验，冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口深度2 mm。

采用MHVD-1000IS型显微硬度计对试样不同微区的显微硬度进行测定，载荷为300 g。

1.4 微观组织观察

在经过冲击试验的样品上取下尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的试样。经磨光、抛光后，一组用浓度为3%的硝酸酒精溶液进行腐蚀。腐蚀试样经冲洗和吹干后，采用徕卡DMi8型倒置金相显微镜和SU8010场发射扫描电子显微镜对试样的微观组织进行观察，另一组放入马弗炉中加热到890℃，保温1 h，取出后放入冷水中淬火，然后再次抛光后进行冲洗和吹干，采用徕卡DMi8型倒置金相显微镜对试样的奥氏体晶粒度进行观察。

2 试验结果及分析

2.1 微观组织

金属的内部组织是决定其力学性能的关键因素，为了探究G20Mn5铸钢调质性能，首先使用金相显微镜和扫描电子显微镜对试样进行了显微组织观察，图2为G20Mn5铸钢的金相组织照片。通过图2(a)、(b)可以看出，G20Mn5铸钢经调质处理后，内部组织并不完全均匀，基体上分布着黑色网状组织。对其进行放大观察，可见其为片层状结构，见图2(c)。结合试样成分和热处理工艺可以判定该组织为回火托氏体。从其SEM图片图3(a)可以看出，回火托氏体中含有大量细小的粒状碳化物，其呈断续的板条状分布在基体上。回火托氏体整体呈网状分布，说明试样内部存在较为严重的偏析[12]，这是铸件中较为常见的现象。在回火托氏体网内的区域，贝氏体为主要组织，同时还可以观察到少量铁素体，如图2(d)所示。和回火托氏体相比，贝氏体中的碳化物数量明显减小，因此显得更为粗大，见图3(b)。G20Mn5铸钢中C及其它合金元素的含量较低，因此过冷奥氏体稳定性较差，从而容易导致贝氏体、铁素体等中高温组织在淬火过程中出现。这在图2和图3中得到了证明。

(a)(b)(c)(d)

(a)回火托氏体(b)贝氏体

金属的晶粒大小对金属的许多性能有很大影响，图4是G20Mn5的奥氏体晶粒度照片，根据金相显微镜分析软件进行晶粒度分析[13]，结果显示试样晶粒度8.5级约占70%，5.5级约占30%。该结果表明，G20Mn5悬索桥索夹用调质铸钢的晶粒较细，应该具有较高的抗拉强度，并且晶界所占相对面积大，可以有效阻碍位错运动及晶间相对滑移，从而提高材料断裂所需要的应力。

(a)

2.2 显微硬度

由于G20Mn5在铸造过程中产生的偏析并未在调质处理过程中消除，因此导致了组织的不均匀性。通过对试样中不同微区进行显微硬度测定发现，贝氏体和回火托氏体之间存在较大的硬度差。图5是不同组织的显微硬度压痕。从图中可以看出，在相同载荷下，贝氏体区的压痕尺寸要明显大于回火托氏体区，这说明回火托氏体具有更高的硬度值。表2列出了不同微区的显微硬度，结果显示贝氏体区的平均显微硬度为171.8HV0.3，而回火托氏体区的硬度值则达到了244.3HV0.3。回火托氏体具有更为细密的结构，其内部存在的大量细小碳化物是提高其硬度的一个重要原因。

(a)贝氏体区

2.3 强度及韧塑性

强度、断后伸长率及冲击韧性是G20Mn5悬索桥索夹铸钢在实际使用中最重要的性能，均须满足要求，才能保证结构的可靠与稳定性。因此，按照标准EN 10293:2015的要求对试样力学性能进行了测定。表3列出了G20Mn5铸钢各项拉伸性能的标准要求和实测值。从表中可以看出，G20Mn5铸钢经调质处理后，其屈服强度Rp0.2达到了438.28 MPa，远高于标准下限规定的300 MPa；抗拉强度Rm则为582.89 MPa，处于标准规定的数值范围内；断后伸长率A为22.5%，略高于标准要求的22%。

表2 不同微区的显微硬度(HV0.3)Table 2 Microhardness of different microareas(HV0.3)

表3 拉伸性能Table 3 Tensile properties

低温容易引起脆性断裂。为了保证悬索桥索夹的安全性，按照标准要求需要测定G20Mn5铸钢在-40℃时的冲击吸收能量，并要求平均值不小于27 J且单个试样冲击吸收能量不低于标准平均值的70%，即18.9 J。表4列出G20Mn5在-40℃下的冲击试验结果。可以看出，被测试样的最低冲击吸收能量为27 J，平均值则为34 J。因此无论是平均值，还是单测值均满足标准要求。

表4 -40℃低温冲击吸收能量(单位：J)Table 4 Low temperature impact absorption energyat -40℃(unit: J)

对G20Mn5冲击断口形貌进行观察，其SEM照片如图6所示。根据断口形貌可以断定其断裂类型属于准解理断裂，裂纹源可以被清楚地观察到。在起裂位置以及其它部位都可以观察到夹杂物。对其进行能谱分析(见图7)发现，其含有较多的Ce元素，根据铸钢的冶炼工艺断定其主要成分为稀土氧化物CeO2。此外，在裂纹源附近还可观察到疏松等铸造缺陷。

图6 冲击断口形貌Figure 6 Impact fracture morphology

图7 夹杂物能谱分析Figure 7 Energy spectrum analysis of inclusions

由上述试验数据可知，经调质处理后，G20Mn5铸钢的强度、断后伸长率以及冲击韧性均满足悬索桥索夹标准使用要求。这充分说明G20Mn5铸钢可用于悬索桥索夹的制造，同时本文所制定的调质工艺可以作为实际热处理工艺用于生产。

3 结论

(1)G20Mn5经960℃(保温3 h)淬火+660℃(保温6 h)回火后的组织为贝氏体、回火托氏体和少量铁素体。

(2)G20Mn5铸钢中存在较为严重的偏析，进而导致回火托氏体呈网状出现。回火托氏体的显微硬度明显高于贝氏体。

(3)G20Mn5钢经调质处理后的各项力学性能均满足标准要求，-40℃冲击吸收能量满足标准≥27 J的要求，可用于大跨度低温环境悬索桥索夹的制造。