25Cr2Ni4MoV高溫拉伸性能研究

張奎良 侯世璞 霍巖 許佳麗 趙鵬

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

25Cr2Ni4MoV是鉻-鎳-鉬-釩系合金鋼，是目前汽輪發(fā)電機(jī)常用的轉(zhuǎn)子鍛件材料之一。轉(zhuǎn)子是汽輪發(fā)電機(jī)的核心部件，因此該鋼種需要具有優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高塑性、高韌性及良好的導(dǎo)磁性能。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子材料的冶煉、澆鑄、鍛造、熱處理等工藝要求均十分嚴(yán)格。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已對(duì)25Cr2Ni4MoV鋼的多種性能開展了相關(guān)研究。例如，穆雷雅等[1]研究了該合金的低溫沖擊性能，研究表明隨著沖擊試驗(yàn)溫度的降低，沖擊試樣斷口的剪切斷裂的面積逐漸減少，解理斷裂的面積逐漸擴(kuò)大，但溫度降低至-160℃時(shí)，沖擊吸收能量仍然高于27 J。吳新麗等[2]研究了25Cr2Ni4MoV鋼熱處理性能，發(fā)現(xiàn)在580～640℃溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，25Cr2Ni4MoV鋼的塑韌性隨回火溫度的升高顯著提高，溫度為640℃時(shí)達(dá)到最優(yōu)。葉麗燕等[3]研究了該合金的熱變形行為，結(jié)果表明，溫度相同時(shí)，隨著應(yīng)變速率增加，峰值應(yīng)力增加；應(yīng)變速率相同時(shí)，隨著溫度增加，峰值應(yīng)力降低。學(xué)者還對(duì)25Cr2Ni4MoV鋼的焊接接頭疲勞性能及腐蝕疲勞行為研究開展了相關(guān)研究[4-5]。

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)針對(duì)該合金在受到短時(shí)高溫條件下的拉伸性能研究鮮見報(bào)道。但是當(dāng)發(fā)電機(jī)服役運(yùn)行過程中如出現(xiàn)意外事故時(shí)，轉(zhuǎn)子軸鍛件局部有可能受到不同程度溫度的影響，如機(jī)組匝間短路引起的放電燒傷，轉(zhuǎn)子材料處于高溫時(shí)，力學(xué)性能會(huì)隨之發(fā)生改變，從而會(huì)影響發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全。所以有必要對(duì)轉(zhuǎn)子材料在不同溫度下的拉伸力學(xué)性能開展研究，得到其變化規(guī)律及斷裂機(jī)理，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估和適當(dāng)?shù)脑偬幚?。因此本文研究針?duì)25Cr2Ni4MoV合金鋼，對(duì)不同溫度下的25Cr2Ni4MoV拉伸性能開展了系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，細(xì)致觀察了不同拉伸溫度下25Cr2Ni4MoV鋼的拉伸斷口微觀及宏觀形貌，并對(duì)其斷裂機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文選用調(diào)質(zhì)態(tài)轉(zhuǎn)軸鍛件25Cr2Ni4MoV合金鋼，采用火花放電原子發(fā)射光譜法實(shí)測(cè)其化學(xué)成分如表1所示。25Cr2Ni4MoV拉伸試樣的加工尺寸如圖1所示，測(cè)量標(biāo)距為50 mm，每個(gè)拉伸溫度下選取兩件平行試樣開展試驗(yàn)測(cè)試，并取其平均值作為最終結(jié)果。參照GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn)：第2部分 高溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)。高溫拉伸時(shí)將試樣加熱至規(guī)定拉伸溫度后保溫20 min，從而保證試樣拉伸溫度達(dá)到指定溫度且拉伸溫度均勻。利用SHIMADZU AG-I電子拉伸機(jī)開展拉伸試驗(yàn)，得到不同拉伸溫度下試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率以及斷面收縮率。拉伸溫度選擇在Ac1溫度以下，25Cr2Ni4MoV的Ac1溫度通常在700℃左右。因此選取的拉伸溫度分別為25℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃和600℃。

表1 研究用25Cr2Ni4MoV鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 拉伸試樣尺寸

在拉伸斷后試樣的未變形區(qū)使用電火花線切割沿拉伸方向切取金相樣品，然后依次使用150#、400#、800#、1000#的砂紙對(duì)金相樣品進(jìn)行打磨，每次調(diào)換下一號(hào)更細(xì)的砂紙時(shí)，將樣品轉(zhuǎn)動(dòng)90°，使得新舊磨痕相互垂直，并將上一號(hào)磨痕去除。打磨好后使用2.5 μm金剛石研磨膏對(duì)樣品進(jìn)行拋光，拋光后對(duì)金相樣品進(jìn)行化學(xué)腐蝕，腐蝕劑選用飽和苦味酸水溶液。使用酒精對(duì)腐蝕好的樣品進(jìn)行清洗，接著用吹風(fēng)機(jī)對(duì)其吹干備用。使用ZEISS Observer.A1m光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織。使用日立高新S-3700N掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)拉伸斷口進(jìn)行宏觀及微觀的觀察，利用S-3700N掃描電鏡配套的BRUKER XFlash Detector 630M能譜分析儀(EDS)對(duì)斷口進(jìn)行微區(qū)成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

25Cr2Ni4MoV鋼在不同溫度下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可見，室溫時(shí)(25℃)，25Cr2Ni4MoV鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為678 MPa和793 MPa。當(dāng)拉伸溫度低于400℃時(shí)，隨拉伸溫度升高，25Cr2Ni4MoV鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度緩慢降低，且降低幅度逐漸減小，當(dāng)拉伸溫度為400℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為575 MPa和683 MPa，與室溫相比分別下降了約14%和15%，兩者的下降比例相當(dāng)。當(dāng)拉伸溫度高于400℃時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降幅度顯著增加，拉伸溫度為500℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降至500 MPa和577 MPa，與室溫相比已經(jīng)分別下降了約27%和26%。隨著拉伸溫度的升高，25Cr2Ni4MoV鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降主要是由于外界所提供的熱激活能逐漸增強(qiáng)，原子間結(jié)合力降低，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使得位錯(cuò)更容易發(fā)生滑移，滑移阻力變小并產(chǎn)生新的滑移系，最終導(dǎo)致變形阻力減小[6-7]，強(qiáng)度降低。

(a)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

根據(jù)25Cr2Ni4MoV鋼的拉伸強(qiáng)度隨溫度變化曲線，以400℃為分界點(diǎn)，可使用二次函數(shù)分別對(duì)曲線進(jìn)行擬合，擬合后的曲線見圖2(a)，由曲線可知擬合的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好，能準(zhǔn)確反映出25Cr2Ni4MoV鋼拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化。擬合的二次函數(shù)如下：

25～400℃拉伸溫度區(qū)間：

ReL=691.46-0.55T+6.52×104T2

Rm=806.14-0.67T+9.21×104T2

400～600℃拉伸溫度區(qū)間：

ReL=647.46+0.25T-10.7×10-4T2

Rm=868.68+0.004T-11.6×10-4T2

式中，T為拉伸溫度(℃)；ReL和Rm分別為下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度(MPa)。

由圖2(b)可知，在本試驗(yàn)拉伸溫度范圍內(nèi)，與室溫相比，隨拉伸試驗(yàn)溫度升高，25Cr2Ni4MoV鋼的斷后伸長(zhǎng)率均略有降低。當(dāng)拉伸溫度高于550℃時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率有明顯增加的趨勢(shì)，這可能是由于此時(shí)拉伸溫度已經(jīng)較高，金屬的蠕變現(xiàn)象開始產(chǎn)生一定的作用，高溫下位錯(cuò)借助外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來(lái)克服某些短程障礙，使得變形不斷產(chǎn)生，高溫下的熱激活過程主要是刃型位錯(cuò)的攀移。對(duì)于斷面收縮率而言，拉伸溫度低于400℃時(shí)，25Cr2Ni4MoV的斷面收縮率幾乎不變，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，斷面收縮率明顯增加，即隨拉伸溫度升高，試樣縮徑程度先幾乎保持不變，當(dāng)拉伸溫度高于400℃時(shí)，拉伸試樣縮徑現(xiàn)象將變得更加明顯。

2.2 斷口形貌

根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，選取了25℃、100℃、300℃、400℃、500℃和600℃的拉斷試樣用于掃描電鏡斷口觀察。不同拉伸溫度下25Cr2Ni4MoV拉伸試樣宏觀斷口如圖3所示，由圖可見，室溫時(shí)拉伸試樣斷口主要呈杯錐形，斷口內(nèi)部存在一些微孔洞，微孔洞聚集長(zhǎng)大會(huì)造成拉伸試樣受力面積減小，進(jìn)而斷裂，其斷裂機(jī)理為微孔聚集型韌性斷裂。隨拉伸溫度升高，25Cr2Ni4MoV拉伸試樣的斷裂機(jī)理未發(fā)生改變，仍為微孔聚集型韌性斷裂。觀察試樣的宏觀斷口還可知隨著試驗(yàn)用拉伸溫度的升高，斷口的頸縮程度先基本保持不變，再顯著增加。

由圖3(a)可見，拉伸溫度為25℃時(shí)，宏觀斷口主要由纖維區(qū)和剪切唇組成，試樣斷口表面還存在一條剪切脊，剪切脊平行于裂紋擴(kuò)展方向，并逆指向纖維源區(qū)，為典型的中、低碳鋼光滑試樣靜拉伸斷口形貌。由圖3(b)～(f)可見，拉伸溫度為100℃至500℃溫度區(qū)間內(nèi)，宏觀斷口由纖維區(qū)和剪切唇組成，未見剪切脊的存在，拉伸溫度為600℃時(shí)宏觀斷口全部由纖維區(qū)組成。不同拉伸溫度下，纖維區(qū)是塑性變形過程中微裂紋不斷擴(kuò)展和相互連接造成的，其形態(tài)為鋸齒形，纖維區(qū)所在的平面垂直于拉伸方向；剪切唇表面光滑，為典型的切斷型斷裂。結(jié)果表明，隨拉伸溫度的升高，25Cr2Ni4MoV鋼的宏觀斷口形態(tài)將發(fā)生變化，溫度升高到600℃時(shí)，剪切唇區(qū)域會(huì)消失。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

圖4為不同拉伸溫度下25Cr2Ni4MoV拉伸試樣顯微斷口。由圖可知，25Cr2Ni4MoV拉伸試樣在斷裂前發(fā)生了明顯的塑性變形。室溫時(shí)，斷口表面存在大量圓形或橢圓形的等軸韌窩，隨著溫度升高至400℃時(shí)，斷口表面韌窩尺寸有所增加，再繼續(xù)提高拉伸溫度，韌窩尺寸和數(shù)量均顯著增加。觀察圖中斷口的韌窩，還可見部分微孔洞韌窩底部存在夾雜物，表明微孔洞主要是由夾雜物質(zhì)點(diǎn)與界面脫離而形成，它們是在25Cr2Ni4MoV鋼斷裂前塑性變形進(jìn)行到一定程度產(chǎn)生的。拉伸微觀斷口結(jié)果表明當(dāng)試樣拉伸溫度超過400℃時(shí)，除了外界所提供的激活能導(dǎo)致變形阻力減小，強(qiáng)度降低外，裂紋也更易在鋼中夾雜物位置處起裂，夾雜使得合金性能更加惡化，導(dǎo)致25Cr2Ni4MoV鋼強(qiáng)度顯著降低。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

圖5為更高放大倍數(shù)下的拉伸斷口顯微組織，可知隨拉伸溫度升高除了韌窩尺寸和數(shù)量的增加之外，還可觀察到當(dāng)拉伸溫度達(dá)到400℃時(shí)，韌窩表面附著有大量微小顆粒物，拉伸溫度升高至500℃或更高的600℃時(shí)，顆粒物數(shù)量明顯增多，尺寸也顯著增大。由于本試驗(yàn)高溫試驗(yàn)是在大氣環(huán)境下開展的，而非真空環(huán)境，因此推斷顆粒物應(yīng)為新鮮斷口在高溫下發(fā)生了氧化產(chǎn)生的。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

經(jīng)掃描電鏡配套的EDS能譜分析，顆粒物主要組成元素為鐵和氧，結(jié)果如圖6所示，EDS能譜結(jié)果證實(shí)了韌窩表面附著的顆粒物為鐵的氧化物。

圖6 500℃時(shí)斷口韌窩表面顆粒物及顆粒物能譜分析

為進(jìn)一步分析微孔洞底部夾雜物種類及可能的來(lái)源，使用EDS能譜對(duì)其進(jìn)行成分分析，圖7是微孔洞底部夾雜物元素面分布圖，可知夾雜物主要由Mg、Al和O組成。使用EDS能譜對(duì)該夾雜物進(jìn)行打點(diǎn)分析，結(jié)果如表2所示，根據(jù)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)并結(jié)合其形態(tài)可確定夾雜物種類為MgAl2O4尖晶石。25Cr2Ni4MoV鋼中并不含Mg和Al元素，推斷Mg元素應(yīng)該來(lái)自于煉鋼時(shí)所用的耐火材料，Al元素來(lái)自于煉鋼時(shí)所用的耐火材料或脫氧劑，所以在控制成本的前提下，應(yīng)盡可能的提高鋼水的純凈度，這有利于改善鋼的高溫強(qiáng)度。

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

表2 夾雜物能譜打點(diǎn)分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3 顯微組織

圖8為試驗(yàn)所用的25Cr2Ni4MoV鋼初始顯微組織照片，可知其金相組織主要為貝氏體，且晶粒尺寸細(xì)小，未見粗大晶粒，晶粒也十分均勻，晶粒等級(jí)為9級(jí)左右。

圖8 試驗(yàn)用25Cr2Ni4MoV鋼的顯微組織

圖9為不同拉伸溫度下25Cr2Ni4MoV拉伸試樣遠(yuǎn)離斷口處的顯微組織。由圖可知，試樣金相組織主要為貝氏體，在25℃至600℃拉伸溫度范圍內(nèi)，晶粒未發(fā)生長(zhǎng)大，顯微組織亦無(wú)明顯變化。即在600℃及以下短時(shí)加熱條件下(20 min)，該材質(zhì)的組織不會(huì)產(chǎn)生明顯變化。劉俊等[8]在研究與25Cr2Ni4MoV主元素相近的Cr-Ni-Mo-Ti鋼在短時(shí)高溫拉伸時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)拉伸溫度為700℃以下時(shí)，Cr-Ni-Mo-Ti鋼的金相組織同樣不會(huì)發(fā)生明顯變化。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及顯微組織結(jié)果表明，在本試驗(yàn)的拉伸溫度范圍內(nèi)，25Cr2Ni4MoV鋼的金相組織是較穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生明顯變化。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

3 結(jié)論

(1)溫度對(duì)25Cr2Ni4MoV拉伸性能影響顯著，隨溫度升高，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，拉伸溫度超過400℃時(shí)，裂紋更易在夾雜物位置處起裂，令合金性能更加惡化，導(dǎo)致合金強(qiáng)度顯著降低。

(2)隨溫度升高，25Cr2Ni4MoV鋼的斷后伸長(zhǎng)率與室溫相比均略有降低，斷面收縮率先幾乎保持不變，溫度超過400℃時(shí)，斷面收縮率明顯增加。

(3)25Cr2Ni4MoV短時(shí)高溫拉伸下合金的金相組織無(wú)明顯變化，合金的拉伸斷裂機(jī)理為微孔聚集型韌性斷裂，隨溫度升高，斷口的韌窩尺寸和數(shù)量均顯著增加。