冲击缺口类型对34CrNi1Mo钢韧脆转变温度的影响

王 勇

(汉正检测技术有限公司， 广汉 618300)

对金属材料而言，当试验温度低于某一温度时，体心立方结构及部分密排六方金属及其合金材料的断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂，即出现低温脆性现象，转变温度称为韧脆转变温度，也称冷脆转变温度。

目前常用的韧脆转变温度的检测方法主要有4种：①冲击吸收能量达到某一特定值，例如KV8=27 J；②冲击吸收能量达到上平台某一百分数，例如50%；③剪切断面率达到某一百分数,例如50%；④侧膨胀值达到某一个量，例如0.9 mm。

在韧脆转变温度的实际检测过程中，由于现行适用标准GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》中未对冲击试样缺口类型作出明确的要求，导致实际检测过程中，检测结果差异很大。通过查询冲击试验方法标准GB/T 229-1994附录B发现，韧脆转变温度的检测一般使用标准夏比V形缺口冲击试样测定。但该标准已作废，被现行版GB/T 229-2007所代替。鉴于此，笔者通过在34CrNi1Mo钢上取样，分别进行V形缺口及U形缺口的韧脆转变温度检测，并按照行业标准JB/T 8706-2014《50 MW～200 MW汽轮发电机无中心孔 转子锻件 技术条件》要求以FATT50表示韧脆转变温度，来探索不同缺口类型对韧脆转变温度的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为34CrNi1Mo合金钢，经调质处理的圆环锻件。为使热处理对试样的影响最小，各试样取样位置保持一致，料坯及取样位置如图1所示。共取30件毛坯料，按照JB/T 8706-2014要求进行径向取样，按照GB/T 229-2007要求，加工成10 mm×10 mm×55 mm的标准冲击试样。试验材料34CrNi1Mo钢的化学成分见表1。

图1 料坯及取样位置示意图Fig.1 Schematic diagram of blank and sampling locations

表1 34CrNi1Mo钢的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the 34CrNi1Mo steel (mass fraction) %

1.2 试验方法

试验方法按照GB/T 229-2007要求，将30个试样分成A、B两组，每组15个。其中A组试样按V形缺口，即KV2进行试验；B组试样按U形缺口，即KU2进行试验。试验在-60～20 ℃之间进行，每20 ℃为一间隔，共5个温度，每个温度进行3次V形缺口冲击试验和3次U形缺口冲击试验。试样冷却介质为酒精，试样在冷却介质中保温10 min后开始试验。整个试验过程均使用同一冲击试验机，并配备R2的刀刃和300 J的摆锤。试验后，用10×放大镜观察试样断口。按照GB/T 229-2007附录C测量断口剪切断面率，以剪切断面率为50%时所对应的温度作为该材料的韧脆转变温度，即FATT50。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

V形缺口冲击试样在不同试验温度下的冲击吸收能量及剪切断面率见表2。U形缺口冲击试样在不同试验温度下的冲击吸收能量及剪切断面率见表3。

表2 V形缺口试样在不同试验温度下的冲击试验结果Tab.2 Impact test results of V-notch specimens at different test temperatures

表3 U形缺口试样在不同试验温度下的冲击试验结果Tab.3 Impact test results of U-notch specimens at different test temperatures

2.2 分析与讨论

不同试验温度下V形、U形缺口试样的冲击吸收能量与剪切断面率结果见表4。由表4可知，无论是V形缺口还是U形缺口，冲击吸收能量及剪切断面率均随着试验温度的降低而下降。主要是因为材料存在低温脆性，即随着温度的降低，材料的断裂机制由韧性断裂转变为脆性断裂，表现为冲击吸收能量明显下降，断口形貌由纤维状断口转变为结晶状断口。

表4 不同试验温度下的冲击试验结果比较Tab.4 Comparison of impact test results under different test temperatures

利用Origin软件对不同缺口类型的冲击吸收能量进行拟合，如图2所示。由图2可知，同一温度下，V形缺口冲击吸收能量小于U形缺口冲击吸收能量。冲击试验过程，材料主要发生弹性变形、塑性变形、断裂等3个过程。由于V形缺口的根部曲率半径小，更容易造成应力集中，导致V形缺口的冲击吸收能量较U形缺口的小。

图2 不同缺口类型试样冲击吸收能量的拟合曲线Fig.2 Fitting curves of impact absorbed energy for different notched specimens

利用Origin软件对不同缺口类型的剪切断面率进行拟合，如图3所示。由图3可知，剪切断面率随温度的变化趋势与冲击吸收能量随温度的变化趋势一致。U形缺口试样测得的韧脆转变温度FATT50低于V形缺口试样测得的。

图3 不同缺口类型试样剪切断面率的拟合曲线Fig.3 Fitting curves of shear section ratio for different notched specimens

3 结论

由于V形缺口的根部曲率半径小，更容易造成应力集中，因此U形缺口冲击试样测得的韧脆转变温度低于V形缺口冲击试样测得的韧脆转变温度。建议GB/T 229-2007标准明确在检测韧脆转变温度时的冲击缺口类型。