07MnNiMoDR鋼火災(zāi)后沖擊韌性和斷裂韌度試驗(yàn)研究

楊景標(biāo)，陳學(xué)東，范志超，艾志斌，鄭 炯

(1.合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031;2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州 510655)

0 引言

金屬材料過(guò)火后，其金相組織和力學(xué)性能往往發(fā)生變化［1－4］。隨著材料組織的改變，材料的斷裂性質(zhì)可能從韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。工程應(yīng)用中需要對(duì)?；反鎯?chǔ)壓力容器發(fā)生火災(zāi)后是否可以繼續(xù)投入運(yùn)行進(jìn)行安全評(píng)定，而沖擊性能和斷裂韌度的變化是過(guò)火后存儲(chǔ)壓力容器失效模式發(fā)生變化的重要因素之一［5－8］。

對(duì)于壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板的沖擊和斷裂韌度試驗(yàn)，已有的研究主要是考察在不同沖擊溫度下其吸收能量的變化規(guī)律和母材的斷裂韌度［9－13］。07MnNiMoDR 為典型的大型存儲(chǔ)壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼，關(guān)于該材料經(jīng)過(guò)不同熱處理后沖擊性能和斷裂韌度變化規(guī)律的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。研究07MnNiMoDR鋼受火后的沖擊和斷裂性能變化規(guī)律，可以對(duì)過(guò)火后大型存儲(chǔ)壓力容器的失效判別和合于使用評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。

本研究對(duì)經(jīng)過(guò)不同溫度、保溫時(shí)間和冷卻速率后的07MnNiMoDR鋼進(jìn)行沖擊和斷裂韌度試驗(yàn)，獲得其經(jīng)歷不同受火條件后沖擊性能和斷裂韌度的變化規(guī)律，進(jìn)而獲得該鋼材受火后沖擊吸收能量和斷裂韌度急劇下降時(shí)的受火溫度臨界值和沖擊吸收能量滿足GB 19189—2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》［14］要求時(shí)的受火條件。為了便于分析相關(guān)沖擊性能和斷裂韌度的變化規(guī)律，文中僅針對(duì)母材而未考慮焊接接頭。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用07MnNiMoDR材料取自國(guó)產(chǎn)38 mm厚軋制鋼板，為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，其化學(xué)成分見(jiàn)文獻(xiàn)［1－2］。

沖擊試樣根據(jù)GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》［15］橫向取樣，先制成12 mm×12 mm×56 mm的沖擊樣坯進(jìn)行熱模擬處理。

斷裂韌度試樣的取樣方向?yàn)閅－X［16］，先制成22 mm×32 mm×150 mm的樣坯進(jìn)行熱處理。

1.2 熱處理方法

受火過(guò)程采用高溫箱式電阻爐進(jìn)行熱模擬，受火過(guò)程的熱模擬處理工藝同文獻(xiàn)［1－2］。室溫下將樣坯置于爐內(nèi)，然后升溫到預(yù)先設(shè)定溫度，保溫到預(yù)定的時(shí)間，然后將樣坯取出冷卻至室溫。

斷裂韌度樣坯和沖擊樣坯的受熱溫度均為450，550，650，750，800，850 ℃。沖擊樣坯在各熱暴露溫度下的保溫時(shí)間分別為2，4，8，12 h?？紤]到實(shí)際應(yīng)用時(shí)大型儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)后的冷卻條件，冷卻方式采用水冷和空冷兩種。根據(jù)溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式的組合，共有48個(gè)熱處理工況，所對(duì)應(yīng)的沖擊試樣序號(hào)如表1所示。已有的研究結(jié)果表明［1－2］:在上述的保溫時(shí)間和溫度低于650℃時(shí)冷卻方式對(duì)力學(xué)性能影響不大。因此對(duì)于斷裂韌度樣坯，保溫時(shí)間設(shè)定為2 h，等于或低于650℃時(shí)僅考慮水冷，其他溫度時(shí)則采用水冷和空冷。

表1 不同熱處理工況對(duì)應(yīng)的沖擊試樣序號(hào)

1.3 沖擊試驗(yàn)

將熱處理后的樣坯加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，按照 GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》［17］，在ZBC－2452型擺錘金屬?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。根據(jù)GB 19189—2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》［14］的要求，本研究中沖擊試驗(yàn)溫度為－50℃。每一熱處理工況下制備了3個(gè)沖擊試樣。為了便于比較分析，對(duì)未經(jīng)熱模擬處理的母材進(jìn)行了3個(gè)試樣的沖擊試驗(yàn)。

1.4 斷裂韌度JQ試驗(yàn)

將熱模擬處理后的樣坯加工成如圖1所示的三點(diǎn)彎曲試樣，裂紋預(yù)制和斷裂韌度試驗(yàn)均在MTS 809上進(jìn)行。為了便于比較分析，對(duì)未經(jīng)過(guò)熱模擬處理的母材也進(jìn)行了斷裂韌度試驗(yàn)。

圖1 三點(diǎn)彎曲試樣尺寸

預(yù)制裂紋時(shí)，嚴(yán)格按照 GB/T 21143—2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》［16］的要求控制最大疲勞預(yù)制裂紋力，且每個(gè)試樣都使用引伸計(jì)，保證每個(gè)試樣的預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度為2 mm。

每一熱處理工況下至少進(jìn)行6個(gè)試樣的斷裂韌度試驗(yàn)，在MTS 809上對(duì)同一組的第1個(gè)試樣進(jìn)行加載，當(dāng)載荷達(dá)到最大值并開始下降時(shí)停止加載，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄載荷和加載位移，確定最大載荷和最大加載位移;在2 mm和最大加載所對(duì)應(yīng)位移之間進(jìn)行等分，確定同一組其余試樣所對(duì)應(yīng)的最大加載位移，根據(jù)每一試樣的載荷曲線獲得最大載荷。

將完成加載試驗(yàn)后的試樣在箱式電阻爐中進(jìn)行發(fā)藍(lán)熱處理，300℃下保溫30 min。

把發(fā)藍(lán)熱處理后的試樣在MTS 809上進(jìn)行二次疲勞，二次疲勞裂紋長(zhǎng)度為 1 mm。在SHT 4505型試驗(yàn)機(jī)上將二次疲勞后的試樣壓斷，然后對(duì)每個(gè)試樣斷口在JGX－1型顯微鏡上按九點(diǎn)平均值方法進(jìn)行裂紋擴(kuò)展測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

每一熱處理工況下3個(gè)試樣的沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。每一工況下的夏比沖擊吸收能量按3個(gè)試樣的算術(shù)平均值計(jì)算。

表2 沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù))

試驗(yàn)得到了不同熱模擬處理工況下的斷裂阻力曲線，原母材的斷裂阻力曲線見(jiàn)圖2，全部熱模擬處理工況下的阻力曲線方程和JQ值見(jiàn)表3。

圖2 母材斷裂阻力曲線

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，07MnNiMoDR的斷裂韌度值較高，全部熱模擬處理工況下的最大裂紋擴(kuò)展量Δa處于0.62 ～0.81 mm 的范圍，W－a0處于10.2～11.8 mm 范圍，最大裂紋擴(kuò)展量 Δamax滿足0.5≤Δamax≤ 0.10(W－a0)的 要 求［16］。按 照GB/T 21143—2007的要求，JQ要同時(shí)滿足式(1):

表3 斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果

從表3可看出，JQ的最大值262.3 kJ/m2，而式(1)中W－a0的值最小，根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算:

40×262.3/(575+644)=8.61≤W－a0=11

即表3中所有的JQ符合有效性判據(jù)。

2.1 溫度對(duì)沖擊韌性的影響

不同保溫時(shí)間下沖擊吸收能量隨溫度的變化如圖3所示?？梢钥闯觯瑹o(wú)論是空冷還是水冷，650℃以下時(shí)，沖擊吸收能量基本保持在223～318 J的范圍;當(dāng)溫度達(dá)到750℃時(shí)，沖擊吸收能量急劇下降到最小值40 J左右，僅為未進(jìn)行熱處理的原母材沖擊吸收能量的15%，不能滿足07MnNiMoDR材料標(biāo)準(zhǔn)中沖擊吸收能量不低于80 J的要求［14］。本研究得到的沖擊吸收能量達(dá)到最小值對(duì)應(yīng)的溫度為750℃，與周楊飛等［8］的研究結(jié)果相同。

圖3 不同保溫時(shí)間下沖擊吸收能量隨溫度的變化

從表2可以看出，750℃(對(duì)應(yīng)表2中25～32試樣序號(hào))時(shí)的纖維斷面率為0，即為脆性斷口，說(shuō)明經(jīng)過(guò)750℃后材料的沖擊韌性最差。當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，隨著溫度的升高，除了圖3(b)中保溫2 h和4 h的工況，沖擊吸收能量均表現(xiàn)為增大趨勢(shì)。空冷時(shí)(如圖3(a)所示)，當(dāng)溫度從750℃升高到850℃時(shí)，在保溫4 h條件下，吸收能量從最小值34 J增加到93 J;而在保溫12 h條件下，吸收能量則從最小值37 J增大到228 J。水冷時(shí)(如圖3(b)所示)，當(dāng)溫度從750℃升高到850℃時(shí)，在保溫12 h條件下，吸收能量則從最小值37 J增大到122 J;在保溫4 h條件下，吸收能量從750℃的42 J升高到800℃的67 J，然后又下降到850℃的37 J。

周楊飛等［8］的研究結(jié)果表明，在保溫1 h的條件下，SPV490Q沖擊韌性出現(xiàn)明顯下降的溫度為700℃，對(duì)應(yīng)的沖擊韌性為293 J/cm2，750℃時(shí)沖擊韌性達(dá)到最小值54 J/cm2;當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，沖擊韌性隨溫度的升高先增大，在850℃時(shí)達(dá)到新的最大值200 J/cm2;而當(dāng)溫度達(dá)到900℃時(shí)，沖擊韌性又下降到90 J/cm2左右。如圖3(b)所示，在保溫2 h和4 h條件下，水冷時(shí)的沖擊吸收能量隨溫度的變化規(guī)律與周楊飛等人的研究結(jié)果相似［8］。

2.2 溫度對(duì)斷裂韌度的影響

兩種冷卻方式下斷裂韌度隨溫度的變化如圖4所示。

圖4 兩種冷卻方式下斷裂韌度隨溫度的變化

可以看出，斷裂韌度急劇下降時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度臨界值為650℃，750℃時(shí)達(dá)到最小值113～124 kJ/m2范圍，僅為原母材的46.9%。當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，空冷和水冷下的斷裂韌度均隨溫度升高而不斷增大，850 ℃時(shí)分別達(dá)到212.7 和193.5 kJ/m2。

2.3 保溫時(shí)間對(duì)沖擊韌性的影響

圖5示出不同熱暴露溫度下07MnNiMoDR的沖擊吸收能量隨保溫時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?，當(dāng)溫度低于800℃時(shí)，不同溫度下保溫時(shí)間對(duì)沖擊吸收能量的影響不明顯;當(dāng)溫度≤650℃時(shí)，沖擊吸收能量基本保持在223～318 J的范圍;當(dāng)溫度達(dá)到750℃以上時(shí)，沖擊吸收能量急劇下降;800℃時(shí)的沖擊吸收能量保持在37～85 J的范圍。周楊飛等［8］僅考察了750℃下保溫1，2，3 h時(shí)SPV490Q沖擊韌性的變化，其結(jié)果表明750℃下保溫時(shí)間對(duì)SPV490Q沖擊韌性的影響很小。本研究的結(jié)果表明，當(dāng)溫度低于800℃時(shí)，不同溫度下保溫時(shí)間對(duì)沖擊吸收能量的影響不明顯，與周楊飛等［8］的研究結(jié)果相似。

圖5 不同溫度下沖擊吸收能量隨保溫時(shí)間的變化

空冷時(shí)(如圖5(a)所示)，750℃時(shí)的沖擊吸收能量為33～42 J，僅為原母材的14%;800℃時(shí)的沖擊吸收能量為37～59 J，僅為原母材的18%;而當(dāng)熱暴露溫度達(dá)到850℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，沖擊吸收能量不斷增大，保溫時(shí)間從2 h增加到12 h時(shí)，沖擊吸收能量從71 J增大到228 J，為原母材的 83.8%。

水冷時(shí)(如圖5(b)所示)，750℃時(shí)的沖擊吸收能量為20～42 J，僅為原母材的11%;800℃時(shí)的沖擊吸收能量為66～85 J，僅為原母材的27.8%;而當(dāng)熱暴露溫度達(dá)到850℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，沖擊吸收能量不斷增大，保溫時(shí)間從4 h增加到12 h時(shí)，沖擊吸收能量從37 J增大到122 J，為原母材的 44.9%。

總體而言，當(dāng)溫度達(dá)到750℃或以上時(shí)，07MnNiMoDR的沖擊吸收能量達(dá)不到材料標(biāo)準(zhǔn)GB 19189—2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》［14］的不低于 80 J的要求。

2.4 冷卻方式對(duì)沖擊韌性和斷裂韌度的影響

不同冷卻方式下沖擊吸收能量的變化如圖6所示。可以看出，在550～750℃范圍內(nèi)，在同一保溫時(shí)間下，水冷時(shí)的沖擊吸收能量總體上低于空冷時(shí)的值。從表3和圖4可以看出，當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，空冷時(shí)的斷裂韌度均大于水冷時(shí)的值，這說(shuō)明水冷比空冷更容易使07MnNiMoDR鋼產(chǎn)生脆性斷裂傾向。

3 結(jié)論

(1)無(wú)論是空冷還是水冷，07MnNiMoDR鋼受火后其沖擊吸收能量和斷裂韌度急劇下降時(shí)的溫度臨界值為650℃，在750℃時(shí)沖擊吸收能量達(dá)到最小值40 J左右，斷裂韌度則達(dá)到113～124 kJ/m2的最小值范圍。在臨界溫度650℃左右，水冷時(shí)的沖擊吸收能量小于空冷時(shí)的值。當(dāng)溫度高于650℃時(shí)，空冷時(shí)的斷裂韌度大于水冷時(shí)的值，兩種冷卻方式下的斷裂韌度均隨溫度升高而增大。

圖6 兩種冷卻方式下沖擊吸收能量隨溫度的變化

(2)當(dāng)溫度在650℃以下，空冷和水冷時(shí)07MnNiMoDR鋼在不同保溫時(shí)間下的沖擊吸收能量均滿足大于80 J的要求;750和800℃下空冷和水冷時(shí)，不同保溫時(shí)間下的沖擊吸收能量均低于80 J;在850℃且保溫時(shí)間低于4 h條件下，空冷和水冷時(shí)的沖擊吸收能量均低于80 J，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到8 h以上時(shí)，空冷和水冷時(shí)的沖擊吸收能量均大于80 J。

(3)當(dāng)溫度低于800℃時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)07MnNiMoDR鋼沖擊吸收能量的影響不明顯;850℃時(shí)的沖擊吸收能量隨保溫時(shí)間的增大而不斷增大。

［1］楊景標(biāo)，陳學(xué)東，范志超，等.07MnNiMoDR鋼火災(zāi)后力學(xué)性能及組織研究(一)——硬度及金相組織［J］.壓力容器，2014，31(2):1－8.

［2］楊景標(biāo)，陳學(xué)東，范志超，等.07MnNiMoDR鋼火災(zāi)后力學(xué)性能及組織研究(二)——拉伸性能［J］.壓力容器，2014，31(3):1－8.

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［14］GB 19189—2011，壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板［S］.

［15］GB/T 2975—1998，鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備［S］.

［16］GB/T 21143—2007，金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法［S］.

［17］GB/T 229—2007，金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法［S］.