30Cr2Ni4MoV鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定與分析

周 劍，韓富銀

（太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

30Cr2Ni4MoV鋼由于具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，是目前在大型機(jī)組中廣泛采用的低壓轉(zhuǎn)子用鋼，低壓轉(zhuǎn)子是火力發(fā)電汽輪機(jī)不可缺少的部件[1～4]，常在復(fù)雜多變的環(huán)境下工作，其服役條件苛刻，對(duì)力學(xué)性能有較高要求[5,6]。沖擊韌脆轉(zhuǎn)變溫度是作為抗沖擊金屬材料的重要性能指標(biāo)之一，能夠真實(shí)的反映金屬材料在不同溫度下的抗沖擊能力，為安全生產(chǎn)做出評(píng)估。夏比擺沖擊試驗(yàn)是國內(nèi)最普遍的測(cè)定金屬力學(xué)性能的試驗(yàn)方法。沖擊值是一個(gè)取決于材料強(qiáng)度和韌性的力學(xué)性能指標(biāo)，它反映了處于統(tǒng)一熱加工狀態(tài)的同類材料在沖擊載荷下的韌性好壞，沖擊值對(duì)材料內(nèi)部組織的變化十分敏感，而且試驗(yàn)又很簡(jiǎn)便，在生產(chǎn)、科研上得到了廣泛應(yīng)用[7]。若金屬的沖擊韌性高，則能保證其在機(jī)器結(jié)構(gòu)中的優(yōu)良性能[8]。低于某一溫度Tt（溫度Tt稱為材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，或稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度）時(shí)，材料將轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，其沖擊值明顯下降，這種現(xiàn)象稱為韌脆，故研究產(chǎn)生韌脆的物理本質(zhì)及影響韌脆的因素具有重大現(xiàn)實(shí)意義，因此韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為衡量金屬材料低溫特性的主要性能參數(shù)之一能夠真實(shí)反映出材料在不同溫度下的斷裂情況，從而可對(duì)該火力發(fā)電的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在復(fù)雜工作環(huán)境下的服役能力和事故風(fēng)險(xiǎn)做出預(yù)先評(píng)估。夏比沖擊試樣的斷口表面常用剪切斷面率評(píng)定，剪切斷面率越高，材料韌性越好，大多數(shù)夏比沖擊試樣的端口形貌為剪切和解理斷裂的混合態(tài)[9]。因此，筆者按照GB/T 229-2007中附錄C和附錄D的要求，采用沖擊試樣斷口形貌剪切斷面率達(dá)到50%所對(duì)應(yīng)的溫度作為30Cr2Ni4MoV的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

韌脆轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料中的一個(gè)重要現(xiàn)象，影響因數(shù)非常復(fù)雜，長期以來進(jìn)行過大量研究。任何一種金屬材料都具有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，即屈服強(qiáng)度σs和斷裂強(qiáng)度σf，兩者都隨著溫度上升而下降。σs隨溫度下降的速率比σf的下降速率大，因而兩者的σ-T關(guān)系曲線交于某一溫度。當(dāng)T>Tt時(shí)，σf>σs，即材料先發(fā)生屈服，后發(fā)生斷裂，這是韌性斷裂；當(dāng)T

1.2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)用材料為30Cr2Ni4MoV鋼，其成分為：0.26%C，1.73%Cr，3.65%Ni，0.42%Mo，0.10%V。其熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理。沿汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子主軸軸向方向按照GB/T2975的規(guī)定進(jìn)行取樣，加工成55mm×10mm×10mm沖擊試樣，試樣表面粗糙度Ra優(yōu)于5μm。試驗(yàn)設(shè)備采用納克NI500F擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(擺錘刀刃半徑為2mm)、納克DFAI-Ⅲ斷口圖像分析儀、CDW-80T沖擊試驗(yàn)低溫儀、CSL-Y試樣缺口拉床。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃共6個(gè)溫度，每個(gè)溫度取3個(gè)試樣來做沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。首先，把沖擊試樣在試樣缺口拉床上加工成V型缺口試樣，V型缺口呈45度夾角，其深度為2mm，底部曲率半徑為0.25mm。然后將沖擊試樣放在沖擊試驗(yàn)低溫儀中冷卻到所需的試驗(yàn)溫度，低溫冷卻介質(zhì)為無水乙醇。由于沖擊試樣從介質(zhì)中取出放到?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上有時(shí)間間隔，為保證試驗(yàn)的原溫度，因此在設(shè)置溫度時(shí)會(huì)有1～2℃的過冷補(bǔ)償值，以確保試驗(yàn)準(zhǔn)確。將試樣放在低溫儀中保溫5分鐘以后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。用試樣夾取出試樣放在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)（試樣在低溫裝置中移出至打斷的時(shí)間不超過5s）,將沖擊試樣轉(zhuǎn)移到?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)時(shí)，將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打擊試樣，測(cè)定試樣的沖擊功，并且進(jìn)行記錄。試樣斷裂后的端口形貌用斷口圖像分析儀來進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同試驗(yàn)溫度的沖擊值和剪切斷面率如表1所示。溫度—沖擊值曲線與溫度—剪切斷面率曲線如圖1、2所示。由圖1可看出沖擊值隨溫度的升高而升高，曲線呈平滑變化，沒出現(xiàn)急劇降低現(xiàn)象，無法判斷韌脆轉(zhuǎn)變溫度。由圖2可看出剪切斷面率隨溫度的升高而升高，曲線呈緩慢變化，根據(jù)前面規(guī)定，取剪切斷面率達(dá)到50%時(shí)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如圖所示該試驗(yàn)材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-45℃。由圖可知在-80℃時(shí)，試驗(yàn)材料發(fā)生脆性斷裂，隨著溫度的升高試驗(yàn)材料既存在脆性斷裂也存在韌性斷裂，在20℃時(shí)，試驗(yàn)材料只發(fā)生韌性斷裂。從斷裂微觀機(jī)制來說，剪切斷面是由微孔聚集型斷裂形成，解離斷面是由解理斷裂形成的。無論是微孔聚集型斷裂，還是解理斷裂，其裂紋的形成均與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖有關(guān)。對(duì)于微孔聚集型斷裂來說，斷裂前因位錯(cuò)不斷增殖和遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)，材料產(chǎn)生顯著塑形變形，吸收了大量的變形功，宏觀上表現(xiàn)為材料的沖擊值高，剪切斷面率高，如20℃時(shí)，試驗(yàn)材料只發(fā)生韌性斷裂，沖擊韌性為191J，剪切斷面率達(dá)到100%。而對(duì)于解理斷裂來說，是在正應(yīng)力作用下，材料沿一定的解理面斷開，宏觀上表現(xiàn)為材料的沖擊值低，如-80℃時(shí)，沖擊韌性為最低34J，剪切斷面率為0%。從原子熱運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，我們可以想到：在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，原子運(yùn)動(dòng)的熱能大，因而鄰近位錯(cuò)源可借助熱運(yùn)動(dòng)能而開動(dòng)所需的松弛時(shí)間短，所以當(dāng)位錯(cuò)塞積群前端聚集的彈性能尚未達(dá)成形成解理裂紋所需能量時(shí)，即解理紋不易形成，但在韌脆溫度以下，鄰近位錯(cuò)源要取得足夠熱運(yùn)動(dòng)能而開動(dòng)所需的松弛時(shí)間長（因?yàn)樵荧@得足夠熱運(yùn)動(dòng)能的幾率減?。瑢a(chǎn)生所謂遲屈服現(xiàn)象，因此，塞積群前端所聚集的彈性能就能難以通過鄰近位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而松弛，當(dāng)聚集的彈性能足夠大時(shí)，就導(dǎo)致解理斷裂[12]。

表1 不同試驗(yàn)溫度的測(cè)試結(jié)果

圖1 溫度—沖擊值曲線

圖2 溫度—剪切斷面率值曲線

3 結(jié)論

（1）影響材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素很多，評(píng)定方法也有多種。本文采用剪切斷面率達(dá)到50%這一評(píng)定方法測(cè)定了試驗(yàn)材料30Cr2Ni4MoV鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-45℃。

（2）試驗(yàn)材料30Cr2Ni4MoV存在韌脆現(xiàn)象是由于溫度對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響所致，當(dāng)溫度降到一定程度時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變得困難，導(dǎo)致材料發(fā)生解理斷裂而形成。

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