40CrNiMo钢低温冲击性能研究与应用

那艳会，周吉贞，王大宏，王全振

1.通用技术大连机床有限责任公司 辽宁大连 1160002.大连长丰实业总公司 辽宁大连 116003

3.沈阳鼓风机集团股份有限公司 辽宁沈阳 110869

1 序言

低温的定义，按照GB 150—2011《压力容器》的规定，低于－20℃界定为低温[1]。目前，国内机床行业高强度紧固件类零部件材料主要选40CrNiMo钢，在常温条件下应用情况良好，然而在低温环境下该材料使用性能应用未见相关报道。本文探究不同温度对40CrNiMo钢低温冲击性能的影响，确保机器零部件在低温环境中服役的安全性和稳定性。

2 试验材料及方法

试验材料为4 0 C r N i M o钢，试棒尺寸为φ100mm×100mm，其化学成分见表1。该材料是经电炉冶炼、锻造成形，并经超声波检测为合格。采用夏比V型检测试样，执行GB/T 229—2007《金属材料-夏比摆锤冲击试验方法》规定，在JWB-300型冲击试验机上进行（结果取3个试验的平均值），试验用的低温装置是液氮和酒精混合液作为恒温介质在低温锅中保温。该材料首先进行热处理，870℃正火（空冷）+860℃淬火（油冷）+580℃回火（空冷），然后进行常温（20℃）拉伸性能检测，结果见表2。

表1 试验材料的化学成分（质量分数） （%）

表2 拉伸性能测试结果

3 试验结果及分析

3.1 正火处理后晶粒度评定

40CrNiMo钢经870℃正火处理后，进行晶粒度检测。按照GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》通过对比法对试样进行晶粒度评定，晶粒度等级为5级，如图1所示。

图1 1#试样40CrNiMo钢正火处理后奥氏体晶粒

3.2 调质处理后金相组织分析

40CrNiMo钢经调质处理后进行金相显微镜观察，金相显微组织如图2所示。由图2可以看出，40CrNiMo钢调质处理后室温金相组织为回火索氏体+弥散分布的细小残留奥氏体，组织分布更加弥散，晶粒更细小，组织更致密[2]。

图2 1#试样40CrNiMo钢调质处理后显微组织

3.3 低温冲击性能结果分析

首先选择常温下（2 0℃）进行冲击试验，以保证材料在常温下正常使用，然后再分别进行－20℃、－30℃、－40℃、－60℃、－70℃共5个低温温度对材料进行冲击试验。试样规格为10mm×10mm×55mm，V型缺口标准冲击试样。具体低温冲击试验数据见表3。从试验数据总体来看还是比较有规律的，试验温度越低，冲击吸收能量也越低。如果按照冲击试验能量法评定以27J判定是否合格，那么－60℃以上低温冲击试验都是合格的。从而说明40CrNiMo钢最低可以使用到－60℃，为零部件材料选择提供了理论依据。

表3 低温冲击试验数据 （J）

3.4 低温冲击断口形貌分析

对各温度下的冲击断口形貌进行扫描电镜（SEM）观察，图3为不同温度下的断口形貌。从图3中可以看出，在－20～－40℃内能看到有明显的网状组织，断口处有很多大且深的韧窝，为韧性断裂[3]；而在－60～－70℃内为少量韧窝+准解理断裂，在－60℃及以下温度，网状组织越来越少，出现了河流花样特征，为解理断裂[4]。结合表3低温冲击试验数据可以得出，40CrNiMo钢韧脆转变温度约为－60℃。

图3 各温度下40CrNiMo钢的SEM冲击断口形貌（3000×）

4 结束语

1）随着冲击温度的降低，40CrNiMo钢的冲击吸收能量总体趋势是下降的，在≤－50℃时下降速度较快。

2）扫描电镜观察断口形貌分析得出－60～－40℃之间材料发生较为明显的脆性断裂，因此40CrNiMo钢韧脆转变温度约为－60℃。

3）通过40CrNiMo钢低温冲击吸收能量数值可以得出，如果以27J为合格值，那么在－60℃以上时低温冲击试验都是合格的，从而证明40CrNiMo钢最低使用温度可以达到－60℃。