鐵塔用460 MPa級(jí)大型角鋼的組織與性能

李廣龍 李文斌 丁 寧 金耀輝 方志剛 翟利平

(1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司大型廠，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼股份有限公司科技質(zhì)量部，遼寧 鞍山 114009)

輸電鐵塔主要采用角鋼制作[1]，用量大且廣泛。但是長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)輸電鐵塔較少使用高強(qiáng)度角鋼而以Q235TB和Q345TB鋼為主。該級(jí)別的鐵塔用角鋼，其強(qiáng)度、韌性等性能難以滿足惡劣環(huán)境中使用的要求，特別是在有冰凍等的寒冷地帶或季節(jié)，結(jié)冰、積雪會(huì)造成鐵塔負(fù)荷增大，甚至導(dǎo)致鐵塔倒塌[2-4]。高強(qiáng)度角鋼特指屈服強(qiáng)度420 MPa及以上級(jí)別的角鋼，高強(qiáng)度、高韌性角鋼可滿足特殊、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力要求，并能降低建筑結(jié)構(gòu)的自重，弱化鋼材由于厚度的增加強(qiáng)度降低的厚度效應(yīng)。研究表明[5]，在同樣負(fù)荷條件下，與345 MPa級(jí)角鋼相比，采用420 MPa級(jí)角鋼可減輕鐵塔質(zhì)量4.9%～7.8%，采用460 MPa級(jí)角鋼可減輕鐵塔質(zhì)量7.7%～11.3%。另外，目前國(guó)內(nèi)外鐵塔采用的角鋼型號(hào)也趨于大型化，大型鐵塔角鋼的使用能改善輸電鐵塔的承重性能，從而進(jìn)一步降低鐵塔的質(zhì)量。因此，鐵塔用高強(qiáng)度、高韌性大型角鋼的使用可以提高輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性以及環(huán)境的適應(yīng)性。

本文研究了采用截面尺寸為280 mm×380 mm的連鑄坯生產(chǎn)厚度35 mm、屈服強(qiáng)度460 MPa級(jí)的25號(hào)高強(qiáng)度、高韌性鐵塔角鋼的組織和性能，并撿測(cè)了其截面的組織和力學(xué)性能的均勻性。

1 試驗(yàn)材料及方法

試樣取自某鋼廠生產(chǎn)的460 MPa級(jí)鐵塔用25號(hào)角鋼，厚度為35 mm，角鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：0.15C，0.25Si，1.45Mn，0.010P，0.003S，0.08V，0.008N，余量為Fe及其他雜質(zhì)。制作工藝路線為：轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→280 mm×380 mm方坯連鑄→軋制→冷卻。軋制工藝參數(shù)為：連鑄坯加熱溫度(1 200±20)℃，保溫時(shí)間1 h，始軋溫度1 080～1 150 ℃，終軋溫度約900 ℃，軋制后空冷。

在距離角鋼頭部500 mm處取長(zhǎng)度為600 mm的檢驗(yàn)用試塊。為了綜合評(píng)價(jià)角鋼的截面組織性能的均勻性，在角鋼的邊部、角部切取金相、拉伸和沖擊試樣，取樣位置見(jiàn)圖1。拉伸試樣和沖擊試樣均為縱向試樣，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，拉伸試驗(yàn)在Z1200材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)在ZBC2602全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)溫度為20、0、-20 、-40 、-60、-80和-100 ℃，每一試驗(yàn)溫度測(cè)3個(gè)試樣，取平均值。測(cè)定每組沖擊試樣的脆性斷面率，并根據(jù)脆性斷面率判斷鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度(FATT50)[6]。金相試樣經(jīng)研磨、拋光和腐蝕后，采用DMI5000M光學(xué)顯微鏡觀察。制備萃取復(fù)型試樣，在Tecnai G2 20型透射電子顯微鏡上觀察析出物的形態(tài)，并通過(guò)X射線衍射光譜儀分析析出相的種類。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

角鋼不同部位的力學(xué)性能如表1所示。可以看出，角鋼邊部的屈服強(qiáng)度達(dá)到了460 MPa級(jí)的要求，且有較大的富余量，甚至可以達(dá)到500 MPa級(jí)；角部的屈服強(qiáng)度也達(dá)到了460 MPa級(jí)的要求，但比邊部略低；角鋼截面不同部位的沖擊韌性隨沖擊試驗(yàn)溫度的變化如圖2所示?？梢钥闯觯卿摬煌课坏?40 ℃沖擊吸收能量都大于40 J，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 在角鋼上取樣的示意圖Fig.1 Illustration of taking samples from the angle steel

表1 角鋼截面不同部位的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties in different positions of the angle steel section

但是角鋼邊部和角部之間有差別：邊部-40 ℃的沖擊吸收能量大于80 J，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度約為-43 ℃，而角部-40 ℃的沖擊吸收能量大于40 J，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度約為-36 ℃。

2.2 顯微組織

角鋼邊部和角部的顯微組織如圖3所示。可以看出，角鋼邊部和角部的顯微組織均為鐵素體+珠光體。但是晶粒尺寸不同，邊部晶粒尺寸小，晶粒度約為9級(jí)，角部晶粒尺寸略大，晶粒度約為7.5級(jí)。這是由于角鋼角部較邊部厚，因此其壓下率相對(duì)較小，軋后的冷卻速度較緩慢，導(dǎo)致其晶粒比邊部粗大。

2.3 析出相

采用透射電鏡檢測(cè)角鋼截面不同部位的析出相，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，角鋼截面不同部位析出相的數(shù)量有差異，角部析出相的數(shù)量多于邊部，且分布更彌散。為了解角鋼第二相的析出行為，對(duì)析出相的成分進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。圖5表明，角鋼截面不同部位的析出相主要為V(C, N)。析出相數(shù)量有差異的原因是，在角鋼的軋后冷卻過(guò)程中，角部的冷卻比邊部慢，在高溫區(qū)停留的時(shí)間長(zhǎng)，因此在相同的冷卻時(shí)間內(nèi)，角部具有較高的溫度，有研究表明[7-8]，在軋后鋼材的冷卻過(guò)程中，緩慢的冷卻和長(zhǎng)時(shí)間的高溫區(qū)停留，更有利于V(C, N)的析出。

圖2 角鋼截面不同部位的沖擊韌性和脆性斷面率隨沖擊試驗(yàn)溫度的變化Fig.2 Variation of impact toughness and brittle fracture rate in different positions of angle steel section with impact test temperature

圖3 角鋼截面不同部位的顯微組織Fig.3 Microstructures in different positions of the angle steel section

圖4 角鋼截面不同部位的透射電鏡照片F(xiàn)ig.4 TEM micrographs in different positions of the angle steel section

3 分析討論

角鋼是采用孔型軋制的，受角鋼的形狀、軋制條件和裝備條件的限制，其道次壓下量比較固定，且道次壓下率較小。因此，傳統(tǒng)的低溫大壓下等細(xì)化晶粒的措施都難以實(shí)現(xiàn)，只能在奧氏體再結(jié)晶區(qū)采用多道次的輕壓下軋制。

圖5 角鋼的能譜分析Fig.5 Energy spectrum analysis of the angle steel

而且由于生產(chǎn)過(guò)程中往往采用較高的加熱溫度，容易造成角鋼原奧氏體晶粒粗化，加上軋制的道次壓下量不大等因素，很容易使角鋼最終的晶粒粗大，從而影響角鋼的性能。另外，角鋼的邊部與角部之間存在一定的尺寸差異，導(dǎo)致軋制時(shí)的變形量和冷卻過(guò)程中的溫度變化存在差異，從而造成其截面性能不均勻。對(duì)于本文研究的角鋼，以釩和氮微合金化的成分設(shè)計(jì)[9]能提高角鋼的力學(xué)性能及其均勻性。

根據(jù)第二相Orowan強(qiáng)化機(jī)制，鋼中析出的第二相數(shù)量越多、尺寸越小，則強(qiáng)化作用越明顯。由透射電鏡分析結(jié)果可知，角鋼邊部與角部的析出相數(shù)量相當(dāng)，但是角部的析出相尺寸小，這是角部強(qiáng)度較高的主要原因。根據(jù)鋼的強(qiáng)化理論和Hall-Petch公式，對(duì)于鐵素體-珠光體型的結(jié)構(gòu)鋼，鋼的屈服強(qiáng)度由式(1)計(jì)算：

RYS=RO+RS+RP+RG

(1)

式中：Ro為基體的晶格力；Rs為固溶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值；Rp為析出強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值；RG為細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值。同一成分的鋼，晶格力和固溶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是固定的，但是析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是不同的。對(duì)于本文研究的角鋼，其邊部和角部的成分是相同的，因此式(1)中前兩項(xiàng)對(duì)鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是一致的，而邊部細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)則大于角部，析出強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)小于角部，二者的綜合作用使得角鋼截面的強(qiáng)度趨于均勻。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于大型、高強(qiáng)度鐵塔用角鋼，通過(guò)加入微量的釩和氮元素，利用析出的第二相粒子強(qiáng)化能提高角鋼的力學(xué)性能及其均勻性。

(2)角鋼截面不同部位的屈服強(qiáng)度都能達(dá)到460 MPa級(jí)的要求，富余量很大，角部的屈服強(qiáng)度小于邊部。不同部位-40 ℃的沖擊吸收能量都大于40 J。邊部FATT50約為-43 ℃，角部FATT50約為-36 ℃。

(3)角鋼截面不同部位的顯微組織均為鐵素體和珠光體，但邊部的晶粒尺寸小于角部；角部的析出相數(shù)量比邊部多，分布更彌散，能減小由于組織差異造成的強(qiáng)度差異。