10Ni3MoVD鋼鍛件的低溫韌性

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(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引 言

NB/T 47009-2017標(biāo)準(zhǔn)中所列的用于設(shè)計溫度-50 ℃承壓設(shè)備的鍛件的材料牌號為10Ni3MoVD，該材料是20世紀(jì)80年代初國內(nèi)壓力容器廠家為制造低溫球罐而研制的[1-2]。但在之后的20多年時間里，國內(nèi)建造的大型乙烯、丙烯用低溫球罐均沒有采用10Ni3MoVD鋼鍛件，也幾乎查不到相關(guān)制造的供貨記錄[3-5]。這主要是由于受冶煉技術(shù)、冶煉設(shè)備以及軋制水平的限制，國產(chǎn)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能的穩(wěn)定性得不到用戶的認(rèn)可，國內(nèi)建造的低溫球罐用鍛件大多選用進(jìn)口材料[6-9]。為了驗證10Ni3MoVD鋼鍛件的綜合力學(xué)性能尤其是低溫韌性的穩(wěn)定性，推動壓力容器用鋼的國產(chǎn)化，作者試制了10Ni3MoVD鋼鍛件并進(jìn)行了調(diào)質(zhì)熱處理，研究了其顯微組織、拉伸性能和低溫韌性。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為10Ni3MoVD鋼錠，由浙江大隆合金鋼有限公司生產(chǎn)，其爐罐號為712B-VD93。此鋼錠的主要工藝流程為電爐冶煉→VD真空脫氣精煉→下注法澆注，鋼錠規(guī)格為325 mm×325 mm，試驗鋼的熔煉成分及澆注樣成分見表1。將10Ni3MoVD鋼錠按鍛造比大于3.5鍛造成尺寸為280 mm×480 mm×70 mm的鋼板，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，調(diào)質(zhì)熱處理的回火溫度為660 ℃。

1.2 試驗方法

在外觀無裂紋、夾層、折疊等缺陷的試驗鋼上，沿截面方向制取全厚度金相試樣(厚度t為70 mm)，經(jīng)研磨拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，根據(jù)GB/T 13298-2015，使用XHC-SV2型光學(xué)顯微鏡對表層、t/4位置和t/2位置的顯微組織進(jìn)行觀察，依據(jù)GB/T 6394-2017進(jìn)行晶粒度的評定。

表1 10Ni3MoVD鋼的熔煉成分和澆注樣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of smelting and casting sample of 10Ni3MoVD steel (mass) %

圖1 試驗鋼不同位置的顯微組織Fig.1 Microstructure at different positions of tested steel: (a) surface layer, at low magnification; (b) t/4 position, at low magnification; (c) t/2 position, at low magnification; (d) surface layer, at high magnification; (e) t/4 position, at high magnification and (f) t/2 position, at high magnification

沿試驗鋼厚度方向，在其表層、t/4位置和t/2位置分別截取規(guī)格為φ10 mm的拉伸試樣，標(biāo)距為100 mm，按照GB/T 228.1-2010，使用QX-W700型萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗，加載速率為30 MPa·s-1。

分別在試驗鋼的表層、t/4位置和t/2位置截取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣，開深度為2 mm的V型缺口，按照GB/T 19748-2005和GB/T 229-2007，在ZBC2452N-4型示波沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行夏比沖擊試驗，試驗溫度為-100～20 ℃，冷卻介質(zhì)為無水乙醇加液氮。觀察試驗鋼的沖擊斷口宏觀形貌，按照GB/T 12778-2008測定晶狀斷面率及側(cè)膨脹值，測3個試樣取平均值。分別在試驗鋼的表層和t/4位置截取尺寸為20 mm×50 mm×130 mm的P2型試樣，按GB/T 6803-2008進(jìn)行落錘試驗，測定其無塑性轉(zhuǎn)變溫度，沖擊溫度為-75～-60 ℃，冷卻介質(zhì)為工業(yè)酒精加液氮，過冷度為2～3 ℃。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出：試驗鋼表層和t/4位置的顯微組織均為回火索氏體+貝氏體，t/2位置處的顯微組織為回火索氏體+貝氏體+鐵素體；表層組織中的回火索氏體略保留馬氏體位向關(guān)系，且表層的晶粒尺寸大于t/4位置和t/2位置處的，這是由于在進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理時，表層在高溫區(qū)的停留時間相對較長，奧氏體晶粒較t/4位置和t/2位置處的有所長大。表層、t/4和t/2位置處的平均晶粒度分別為9.5，10，10級，均不低于9.5級。

2.2 拉伸性能

在NB/T 47009-2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，10Ni3MoVD鋼的抗拉強(qiáng)度Rm為600～760 MPa，屈服強(qiáng)度ReL不低于480 MPa，斷后伸長率A不低于17%。由表2可以看出：試驗鋼不同位置試樣的拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且斷后伸長率比標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的下限值高出較多；表層的抗拉強(qiáng)度明顯高于t/2位置的，這主要是由于t/2位置的顯微組織中存在部分強(qiáng)度較低的鐵素體組織。

表2 試驗鋼不同位置試樣的拉伸性能Table 2 Tensile properties of samples from differentpositions of tested steel

2.3 沖擊性能

把不同溫度下的總沖擊吸收能量Wt(即沖擊吸收功AKV)，按照GB/T 19748-2005附錄D的規(guī)定分解為裂紋形成能量Wi和裂紋擴(kuò)展能量Wp，從而繪制出總沖擊吸收能量、裂紋形成能量和裂紋擴(kuò)展能量與溫度的關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可以看出：在-50 ℃沖擊溫度下，試驗鋼表層、t/4位置和t/2位置的總沖擊吸收能量分別為202，176，182 J，遠(yuǎn)高于NB/T 47009-2017標(biāo)準(zhǔn)中80 J的最低指標(biāo)要求；試驗鋼不同位置的裂紋擴(kuò)展能量占總沖擊吸收能量的比例較大，但隨沖擊溫度的降低明顯下降；裂紋形成能量隨沖擊溫度的降低先略有變化，當(dāng)沖擊溫度在-80～-60 ℃時開始迅速下降。由此可見，試驗鋼在-60 ℃以上具有很好的抗裂紋形成及擴(kuò)展能力。

由表3可以看出，在-50 ℃沖擊溫度下，試驗鋼不同位置試樣的晶狀斷面率均低于20%，側(cè)膨脹值均不小于2.25 mm，說明試驗鋼在此溫度下具有很好的沖擊韌性。

圖2 試驗鋼不同位置試樣的沖擊吸收能量隨沖擊溫度的變化曲線Fig.2 Impact absorbed energy vs impact temperature curves of samples from different positions of tested steel:(a) surface layer; (b) t/4 position and (c) t/2 position

Table3Percentageofcrystallinityandlateralexpansionofimpactfractureofsamplesfromdifferentpositionsoftestedsteel

沖擊溫度/℃晶狀斷面率/%側(cè)膨脹值/mm表層t/4位置t/2位置表層t/4位置t/2位置200002.242.311.5800002.322.212.36-200002.482.472.41-400872.292.302.30-5001982.252.262.36-60942232.241.972.11-802550472.071.701.83-1005273811.501.300.83

由圖3可以看出，隨著沖擊溫度的降低，試驗鋼不同位置試樣沖擊斷口上的晶狀斷裂區(qū)域變大，在-100 ℃下沖擊后試樣呈脆性斷裂狀態(tài)。

圖3 不同溫度沖擊后試樣斷口的宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of fracture of samples afterimpact at different temperatures

2.4 無塑性轉(zhuǎn)變溫度

由表4可以得到，試驗鋼表層和t/4位置處的無塑性轉(zhuǎn)變溫度分別為-75，-65 ℃。由此可見，試驗鋼在-50 ℃仍具有優(yōu)良的沖擊韌性，并且還有一定的富余量。

由圖4可以看出：取自試驗鋼表層的試樣在-70 ℃下進(jìn)行落錘試驗后未發(fā)生斷裂，在-75 ℃下發(fā)生脆斷；取自試驗鋼t/4位置的試樣在-60 ℃下進(jìn)行落錘試驗后未發(fā)生斷裂，在-65 ℃下發(fā)生脆斷。由此可見，試驗鋼表層的低溫韌性略優(yōu)于t/4位置的，這與沖擊試驗結(jié)果吻合。

表4 試驗鋼不同位置試樣的落錘試驗結(jié)果Table 4 Drop-weight test results of samples from differentpositions of tested steel

圖4 試驗鋼不同位置試樣落錘試驗后的外觀Fig.4 Appearance of samples from different positions of tested steelafter drop-weight test: (a) surface layer and (b) t/4 position

3 結(jié) 論

(1) 將10Ni3MoVD鋼錠按鍛造比大于3.5鍛造成鋼板，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，所得試驗鋼的顯微組織主要由回火索氏體和貝氏體組成，不同厚度位置的晶粒度均不低于9.5級。

(2) 試驗鋼的拉伸性能滿足NB/T 47009-2017標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)要求；在-50 ℃下，試驗鋼的沖擊韌性優(yōu)良，總沖擊吸收能量不低于176 J，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大于80 J的指標(biāo)要求，其沖擊斷口晶狀斷面率低于20%，側(cè)膨脹值大于2.25 mm；試驗鋼表層及t/4位置的無塑性轉(zhuǎn)變溫度分別為-75，-65 ℃，表層的低溫韌性略優(yōu)于t/4位置的。