30Cr2Ni4MoV钢韧脆转变温度的测定与分析

2018-06-08韩富银

中国铸造装备与技术 2018年3期

周剑，韩富银

（太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

30Cr2Ni4MoV钢由于具有优良的综合力学性能，是目前在大型机组中广泛采用的低压转子用钢，低压转子是火力发电汽轮机不可缺少的部件[1～4]，常在复杂多变的环境下工作，其服役条件苛刻，对力学性能有较高要求[5,6]。冲击韧脆转变温度是作为抗冲击金属材料的重要性能指标之一，能够真实的反映金属材料在不同温度下的抗冲击能力，为安全生产做出评估。夏比摆冲击试验是国内最普遍的测定金属力学性能的试验方法。冲击值是一个取决于材料强度和韧性的力学性能指标，它反映了处于统一热加工状态的同类材料在冲击载荷下的韧性好坏，冲击值对材料内部组织的变化十分敏感，而且试验又很简便，在生产、科研上得到了广泛应用[7]。若金属的冲击韧性高，则能保证其在机器结构中的优良性能[8]。低于某一温度Tt（温度Tt称为材料的韧脆转变温度，或称冷脆转变温度）时，材料将转变为脆性状态，其冲击值明显下降，这种现象称为韧脆，故研究产生韧脆的物理本质及影响韧脆的因素具有重大现实意义，因此韧脆转变温度作为衡量金属材料低温特性的主要性能参数之一能够真实反映出材料在不同温度下的断裂情况，从而可对该火力发电的汽轮机转子在复杂工作环境下的服役能力和事故风险做出预先评估。夏比冲击试样的断口表面常用剪切断面率评定，剪切断面率越高，材料韧性越好，大多数夏比冲击试样的端口形貌为剪切和解理断裂的混合态[9]。因此，笔者按照GB/T 229-2007中附录C和附录D的要求，采用冲击试样断口形貌剪切断面率达到50%所对应的温度作为30Cr2Ni4MoV的韧脆转变温度。

1 试验方法

1.1 试验原理

韧脆转变是钢铁材料中的一个重要现象，影响因数非常复杂，长期以来进行过大量研究。任何一种金属材料都具有两个强度指标，即屈服强度σs和断裂强度σf，两者都随着温度上升而下降。σs随温度下降的速率比σf的下降速率大，因而两者的σ-T关系曲线交于某一温度。当T>Tt时，σf>σs，即材料先发生屈服，后发生断裂，这是韧性断裂；当T

1.2 试验材料和设备

试验用材料为30Cr2Ni4MoV钢，其成分为：0.26%C，1.73%Cr，3.65%Ni，0.42%Mo，0.10%V。其热处理状态为调质处理。沿汽轮机低压转子主轴轴向方向按照GB/T2975的规定进行取样，加工成55mm×10mm×10mm冲击试样，试样表面粗糙度Ra优于5μm。试验设备采用纳克NI500F摆锤冲击试验机(摆锤刀刃半径为2mm)、纳克DFAI-Ⅲ断口图像分析仪、CDW-80T冲击试验低温仪、CSL-Y试样缺口拉床。

1.3 试验方法

本试验采用-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃共6个温度，每个温度取3个试样来做冲击试验，试验结果取平均值。首先，把冲击试样在试样缺口拉床上加工成V型缺口试样，V型缺口呈45度夹角，其深度为2mm，底部曲率半径为0.25mm。然后将冲击试样放在冲击试验低温仪中冷却到所需的试验温度，低温冷却介质为无水乙醇。由于冲击试样从介质中取出放到冲击试验机上有时间间隔，为保证试验的原温度，因此在设置温度时会有1～2℃的过冷补偿值，以确保试验准确。将试样放在低温仪中保温5分钟以后进行冲击试验。用试样夹取出试样放在试验机上进行试验（试样在低温装置中移出至打断的时间不超过5s）,将冲击试样转移到冲击试验机时，将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定试样的冲击功，并且进行记录。试样断裂后的端口形貌用断口图像分析仪来进行测试，记录测试数据。

2 试验结果与分析

不同试验温度的冲击值和剪切断面率如表1所示。温度—冲击值曲线与温度—剪切断面率曲线如图1、2所示。由图1可看出冲击值随温度的升高而升高，曲线呈平滑变化，没出现急剧降低现象，无法判断韧脆转变温度。由图2可看出剪切断面率随温度的升高而升高，曲线呈缓慢变化，根据前面规定，取剪切断面率达到50%时的温度为韧脆转变温度，如图所示该试验材料的韧脆转变温度为-45℃。由图可知在-80℃时，试验材料发生脆性断裂，随着温度的升高试验材料既存在脆性断裂也存在韧性断裂，在20℃时，试验材料只发生韧性断裂。从断裂微观机制来说，剪切断面是由微孔聚集型断裂形成，解离断面是由解理断裂形成的。无论是微孔聚集型断裂，还是解理断裂，其裂纹的形成均与位错的运动和增殖有关。对于微孔聚集型断裂来说，断裂前因位错不断增殖和远距离运动，材料产生显著塑形变形，吸收了大量的变形功，宏观上表现为材料的冲击值高，剪切断面率高，如20℃时，试验材料只发生韧性断裂，冲击韧性为191J，剪切断面率达到100%。而对于解理断裂来说，是在正应力作用下，材料沿一定的解理面断开，宏观上表现为材料的冲击值低，如-80℃时，冲击韧性为最低34J，剪切断面率为0%。从原子热运动的观点，我们可以想到：在韧脆转变温度以上，原子运动的热能大，因而邻近位错源可借助热运动能而开动所需的松弛时间短，所以当位错塞积群前端聚集的弹性能尚未达成形成解理裂纹所需能量时，即解理纹不易形成，但在韧脆温度以下，邻近位错源要取得足够热运动能而开动所需的松弛时间长（因为原子获得足够热运动能的几率减小），将产生所谓迟屈服现象，因此，塞积群前端所聚集的弹性能就能难以通过邻近位错运动而松弛，当聚集的弹性能足够大时，就导致解理断裂[12]。