25Cr2Ni4MoV高温拉伸性能研究

2022-11-23张奎良侯世璞霍岩许佳丽赵鹏

大型铸锻件 2022年6期

张奎良侯世璞霍岩许佳丽赵鹏

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

25Cr2Ni4MoV是铬-镍-钼-钒系合金钢，是目前汽轮发电机常用的转子锻件材料之一。转子是汽轮发电机的核心部件，因此该钢种需要具有优异的性能，如高强度、高塑性、高韧性及良好的导磁性能。目前国内外对发电机转子材料的冶炼、浇铸、锻造、热处理等工艺要求均十分严格。国内外学者也已对25Cr2Ni4MoV钢的多种性能开展了相关研究。例如，穆雷雅等[1]研究了该合金的低温冲击性能，研究表明随着冲击试验温度的降低，冲击试样断口的剪切断裂的面积逐渐减少，解理断裂的面积逐渐扩大，但温度降低至-160℃时，冲击吸收能量仍然高于27 J。吴新丽等[2]研究了25Cr2Ni4MoV钢热处理性能，发现在580～640℃温度范围内回火时，25Cr2Ni4MoV钢的塑韧性随回火温度的升高显著提高，温度为640℃时达到最优。叶丽燕等[3]研究了该合金的热变形行为，结果表明，温度相同时，随着应变速率增加，峰值应力增加；应变速率相同时，随着温度增加，峰值应力降低。学者还对25Cr2Ni4MoV钢的焊接接头疲劳性能及腐蚀疲劳行为研究开展了相关研究[4-5]。

通过文献调研发现针对该合金在受到短时高温条件下的拉伸性能研究鲜见报道。但是当发电机服役运行过程中如出现意外事故时，转子轴锻件局部有可能受到不同程度温度的影响，如机组匝间短路引起的放电烧伤，转子材料处于高温时，力学性能会随之发生改变，从而会影响发电机组运行安全。所以有必要对转子材料在不同温度下的拉伸力学性能开展研究，得到其变化规律及断裂机理，为机组的安全运行提供数据参考，进而对其进行质量评估和适当的再处理。因此本文研究针对25Cr2Ni4MoV合金钢，对不同温度下的25Cr2Ni4MoV拉伸性能开展了系统性试验研究，细致观察了不同拉伸温度下25Cr2Ni4MoV钢的拉伸断口微观及宏观形貌，并对其断裂机理进行了分析。

1 试验材料及方法

本文选用调质态转轴锻件25Cr2Ni4MoV合金钢，采用火花放电原子发射光谱法实测其化学成分如表1所示。25Cr2Ni4MoV拉伸试样的加工尺寸如图1所示，测量标距为50 mm，每个拉伸温度下选取两件平行试样开展试验测试，并取其平均值作为最终结果。参照GB/T 228.2—2015《金属材料拉伸试验：第2部分高温拉伸试验方法》进行高温拉伸试验。高温拉伸时将试样加热至规定拉伸温度后保温20 min，从而保证试样拉伸温度达到指定温度且拉伸温度均匀。利用SHIMADZU AG-I电子拉伸机开展拉伸试验，得到不同拉伸温度下试样的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率以及断面收缩率。拉伸温度选择在Ac1温度以下，25Cr2Ni4MoV的Ac1温度通常在700℃左右。因此选取的拉伸温度分别为25℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃和600℃。

表1 研究用25Cr2Ni4MoV钢的化学成分(质量分数，%)

图1 拉伸试样尺寸

在拉伸断后试样的未变形区使用电火花线切割沿拉伸方向切取金相样品，然后依次使用150#、400#、800#、1000#的砂纸对金相样品进行打磨，每次调换下一号更细的砂纸时，将样品转动90°，使得新旧磨痕相互垂直，并将上一号磨痕去除。打磨好后使用2.5 μm金刚石研磨膏对样品进行抛光，抛光后对金相样品进行化学腐蚀，腐蚀剂选用饱和苦味酸水溶液。使用酒精对腐蚀好的样品进行清洗，接着用吹风机对其吹干备用。使用ZEISS Observer.A1m光学显微镜观察试样的显微组织。使用日立高新S-3700N扫描电子显微镜(SEM)对拉伸断口进行宏观及微观的观察，利用S-3700N扫描电镜配套的BRUKER XFlash Detector 630M能谱分析仪(EDS)对断口进行微区成分分析。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

25Cr2Ni4MoV钢在不同温度下的拉伸试验结果如图2所示。由图2(a)可见，室温时(25℃)，25Cr2Ni4MoV钢的屈服强度和抗拉强度分别为678 MPa和793 MPa。当拉伸温度低于400℃时，随拉伸温度升高，25Cr2Ni4MoV钢的屈服强度和抗拉强度缓慢降低，且降低幅度逐渐减小，当拉伸温度为400℃时，屈服强度和抗拉强度分别为575 MPa和683 MPa，与室温相比分别下降了约14%和15%，两者的下降比例相当。当拉伸温度高于400℃时，合金的屈服强度和抗拉强度下降幅度显著增加，拉伸温度为500℃时，屈服强度和抗拉强度分别下降至500 MPa和577 MPa，与室温相比已经分别下降了约27%和26%。随着拉伸温度的升高，25Cr2Ni4MoV钢的屈服强度和抗拉强度下降主要是由于外界所提供的热激活能逐渐增强，原子间结合力降低，原子扩散能力增强，使得位错更容易发生滑移，滑移阻力变小并产生新的滑移系，最终导致变形阻力减小[6-7]，强度降低。

(a)屈服强度和抗拉强度

根据25Cr2Ni4MoV钢的拉伸强度随温度变化曲线，以400℃为分界点，可使用二次函数分别对曲线进行拟合，拟合后的曲线见图2(a)，由曲线可知拟合的结果与试验结果吻合性较好，能准确反映出25Cr2Ni4MoV钢拉伸强度随温度的变化。拟合的二次函数如下：

25～400℃拉伸温度区间：

ReL=691.46-0.55T+6.52×104T2

Rm=806.14-0.67T+9.21×104T2

400～600℃拉伸温度区间：

ReL=647.46+0.25T-10.7×10-4T2

Rm=868.68+0.004T-11.6×10-4T2

式中，T为拉伸温度(℃)；ReL和Rm分别为下屈服强度和抗拉强度(MPa)。

由图2(b)可知，在本试验拉伸温度范围内，与室温相比，随拉伸试验温度升高，25Cr2Ni4MoV钢的断后伸长率均略有降低。当拉伸温度高于550℃时，断后伸长率有明显增加的趋势，这可能是由于此时拉伸温度已经较高，金属的蠕变现象开始产生一定的作用，高温下位错借助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，使得变形不断产生，高温下的热激活过程主要是刃型位错的攀移。对于断面收缩率而言，拉伸温度低于400℃时，25Cr2Ni4MoV的断面收缩率几乎不变，当温度高于400℃时，断面收缩率明显增加，即随拉伸温度升高，试样缩径程度先几乎保持不变，当拉伸温度高于400℃时，拉伸试样缩径现象将变得更加明显。

2.2 断口形貌

根据拉伸试验结果，选取了25℃、100℃、300℃、400℃、500℃和600℃的拉断试样用于扫描电镜断口观察。不同拉伸温度下25Cr2Ni4MoV拉伸试样宏观断口如图3所示，由图可见，室温时拉伸试样断口主要呈杯锥形，断口内部存在一些微孔洞，微孔洞聚集长大会造成拉伸试样受力面积减小，进而断裂，其断裂机理为微孔聚集型韧性断裂。随拉伸温度升高，25Cr2Ni4MoV拉伸试样的断裂机理未发生改变，仍为微孔聚集型韧性断裂。观察试样的宏观断口还可知随着试验用拉伸温度的升高，断口的颈缩程度先基本保持不变，再显著增加。

由图3(a)可见，拉伸温度为25℃时，宏观断口主要由纤维区和剪切唇组成，试样断口表面还存在一条剪切脊，剪切脊平行于裂纹扩展方向，并逆指向纤维源区，为典型的中、低碳钢光滑试样静拉伸断口形貌。由图3(b)～(f)可见，拉伸温度为100℃至500℃温度区间内，宏观断口由纤维区和剪切唇组成，未见剪切脊的存在，拉伸温度为600℃时宏观断口全部由纤维区组成。不同拉伸温度下，纤维区是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，其形态为锯齿形，纤维区所在的平面垂直于拉伸方向；剪切唇表面光滑，为典型的切断型断裂。结果表明，随拉伸温度的升高，25Cr2Ni4MoV钢的宏观断口形态将发生变化，温度升高到600℃时，剪切唇区域会消失。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

图4为不同拉伸温度下25Cr2Ni4MoV拉伸试样显微断口。由图可知，25Cr2Ni4MoV拉伸试样在断裂前发生了明显的塑性变形。室温时，断口表面存在大量圆形或椭圆形的等轴韧窝，随着温度升高至400℃时，断口表面韧窝尺寸有所增加，再继续提高拉伸温度，韧窝尺寸和数量均显著增加。观察图中断口的韧窝，还可见部分微孔洞韧窝底部存在夹杂物，表明微孔洞主要是由夹杂物质点与界面脱离而形成，它们是在25Cr2Ni4MoV钢断裂前塑性变形进行到一定程度产生的。拉伸微观断口结果表明当试样拉伸温度超过400℃时，除了外界所提供的激活能导致变形阻力减小，强度降低外，裂纹也更易在钢中夹杂物位置处起裂，夹杂使得合金性能更加恶化，导致25Cr2Ni4MoV钢强度显著降低。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

图5为更高放大倍数下的拉伸断口显微组织，可知随拉伸温度升高除了韧窝尺寸和数量的增加之外，还可观察到当拉伸温度达到400℃时，韧窝表面附着有大量微小颗粒物，拉伸温度升高至500℃或更高的600℃时，颗粒物数量明显增多，尺寸也显著增大。由于本试验高温试验是在大气环境下开展的，而非真空环境，因此推断颗粒物应为新鲜断口在高温下发生了氧化产生的。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

经扫描电镜配套的EDS能谱分析，颗粒物主要组成元素为铁和氧，结果如图6所示，EDS能谱结果证实了韧窝表面附着的颗粒物为铁的氧化物。

图6 500℃时断口韧窝表面颗粒物及颗粒物能谱分析

为进一步分析微孔洞底部夹杂物种类及可能的来源，使用EDS能谱对其进行成分分析，图7是微孔洞底部夹杂物元素面分布图，可知夹杂物主要由Mg、Al和O组成。使用EDS能谱对该夹杂物进行打点分析，结果如表2所示，根据其质量分数并结合其形态可确定夹杂物种类为MgAl2O4尖晶石。25Cr2Ni4MoV钢中并不含Mg和Al元素，推断Mg元素应该来自于炼钢时所用的耐火材料，Al元素来自于炼钢时所用的耐火材料或脱氧剂，所以在控制成本的前提下，应尽可能的提高钢水的纯净度，这有利于改善钢的高温强度。

(a)SEM (b)Fe (c)C

表2 夹杂物能谱打点分析结果(质量分数，%)

2.3 显微组织

图8为试验所用的25Cr2Ni4MoV钢初始显微组织照片，可知其金相组织主要为贝氏体，且晶粒尺寸细小，未见粗大晶粒，晶粒也十分均匀，晶粒等级为9级左右。

图8 试验用25Cr2Ni4MoV钢的显微组织

图9为不同拉伸温度下25Cr2Ni4MoV拉伸试样远离断口处的显微组织。由图可知，试样金相组织主要为贝氏体，在25℃至600℃拉伸温度范围内，晶粒未发生长大，显微组织亦无明显变化。即在600℃及以下短时加热条件下(20 min)，该材质的组织不会产生明显变化。刘俊等[8]在研究与25Cr2Ni4MoV主元素相近的Cr-Ni-Mo-Ti钢在短时高温拉伸时，同样发现拉伸温度为700℃以下时，Cr-Ni-Mo-Ti钢的金相组织同样不会发生明显变化。结合相关文献及显微组织结果表明，在本试验的拉伸温度范围内，25Cr2Ni4MoV钢的金相组织是较稳定，不会发生明显变化。