一種新型CrNiMoV高強(qiáng)鋼低溫韌性研究

，，

(洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

溫度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材的韌性影響很大，在常溫下表現(xiàn)出良好韌性的結(jié)構(gòu)鋼材，在低溫下隨著鋼材脆性的增加，極容易發(fā)生低溫冷脆[1]現(xiàn)象。壓力容器是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的一類重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、能源等領(lǐng)域，當(dāng)環(huán)境溫度降低至某一程度時(shí)，大部分壓力容器用鋼就可能存在脆性斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)。

新型CrNiMoV鋼是針對(duì)特種壓力容器研制的高強(qiáng)鋼材料。資料顯示，無(wú)論普通容器還是在更苛刻條件下使用的輕型容器，均要求容器用鋼在最低使用溫度(-50 ℃)下具有較好的抗低溫脆性破壞性能[2]，故材料低溫性能是決定承壓容器使用安全性的關(guān)鍵要素之一。為充分了解該新型CrNiMoV鋼低溫特性，本文從拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、斷裂韌度試驗(yàn)等方面對(duì)該材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為軋制成無(wú)縫鋼管的新型CrNiMoV高強(qiáng)鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理，該材料化學(xué)成分見表1。

表1 CrNiMoV鋼化學(xué)成分 %

1.2 拉伸試驗(yàn)

因韌性是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)，故本文開展溫度對(duì)CrNiMoV無(wú)縫鋼管材料強(qiáng)度和延塑性的影響研究。分別對(duì)該材料進(jìn)行25，-50，-70 ℃三個(gè)溫度下的靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，每個(gè)溫度取2個(gè)試樣，以其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，所用試樣均為?10 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣。

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 13239—2006《金屬材料 低溫拉伸試驗(yàn)方法》，在Instron 5985試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過拉伸試驗(yàn)載荷-位移曲線及試樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出試樣的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2、延伸率A和斷面收縮率Z。

1.3 系列沖擊試驗(yàn)

為獲得評(píng)定鋼材冷脆性的沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度，依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)，試樣為10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣。試驗(yàn)選取25，0，-20，-50，-70，-100，-196 ℃共7個(gè)溫度，每一溫度測(cè)試3個(gè)試樣，分析各沖擊試樣斷口形貌特征，得出沖擊吸收能量和斷口晶狀斷面率隨溫度變化曲線。

1.4 斷裂韌度試驗(yàn)

鑒于平面應(yīng)變斷裂韌度KIC可直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，且材料斷裂韌度KIC在常溫下研究較多、在低溫下研究較少的情況，本文針對(duì)CrNiMoV無(wú)縫鋼管材料，采用精度較高的多試樣法，開展25，-50，-70 ℃三個(gè)溫度下的斷裂韌度測(cè)試研究。

試驗(yàn)依據(jù)GB/T 21143—2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用三點(diǎn)彎曲SE(B)試樣，具體尺寸見圖1，每組至少6個(gè)試樣，共3組。因試驗(yàn)要求平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試樣厚度B≥2.5(KIC/Rp0.2)2，CrNiMoV無(wú)縫鋼管壁厚無(wú)法滿足要求，故本文通過延性斷裂韌度試驗(yàn)獲得有效的JIC值，再通過KIC與JIC的表征關(guān)系，最終確定KIC值[3]。

圖1 斷裂韌度試樣形狀和尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

3個(gè)溫度下CrNiMoV鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可以看出，隨著溫度的降低，強(qiáng)度有所增加，延塑性變化不明顯，說明延伸率A和斷面收縮率Z對(duì)試驗(yàn)溫度的降低不敏感，不適合作為評(píng)定CrNiMoV鋼材料的低溫冷脆指標(biāo)。其中拉伸強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的降低呈遞增趨勢(shì)，主要是由于材料屬于體心立方金屬[4]；而延伸率和斷面收縮率隨試驗(yàn)溫度的降低呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，主要是由于二者均由頸縮前的均勻變形和頸縮后的集中變形組成，在均勻變形階段，二者變化趨勢(shì)一致，而在集中變形階段，頸部的變形非常復(fù)雜，二者頸縮后的集中變形與試樣參與局部集中變形的金屬體積以及變形后的形狀均有關(guān)系，故綜合均勻變形和集中變形會(huì)導(dǎo)致延伸率和斷面收縮率變化趨勢(shì)不一致。

表2 不同溫度下CrNiMoV鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

注:括號(hào)內(nèi)數(shù)值為平均值

在低溫條件下，Rm/Rp0.2可以簡(jiǎn)單地作為材料是否發(fā)生脆性斷裂的判據(jù)。二者比值越接近1，則材料變脆的可能性越大[4]。根據(jù)表2中的3個(gè)溫度下的Rm/Rp0.2，可以看出，低溫下的Rm/Rp0.2值均略高于常溫狀態(tài)下的比值，說明該材料在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)的韌性沒有降低，較之常溫未出現(xiàn)低溫冷脆傾向。

2.2 系列沖擊試驗(yàn)結(jié)果及分析

系列沖擊試驗(yàn)溫度下，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表3。隨著溫度的降低，材料的沖擊吸收能量逐漸降低，斷口形貌由纖維狀斷口過渡到晶狀斷口，斷口形貌微觀觀察如圖2所示，由韌窩型斷口向脆性解理斷口等轉(zhuǎn)變，沖擊吸收能量和斷口晶狀斷面率隨溫度變化曲線見圖3。

表3系列沖擊試驗(yàn)結(jié)果

T/℃250-20-50-70-100-120-196沖擊吸收能量/J98,99,96(98)93,91,91(92)88,87,88(88)81,78,80(80)68,68,69(68)36,37,30(34)26,28,29(28)16,16,18(17)晶狀斷面率(%)0,0,0(0)0,0,0(0)0,0,0(0)0,0,0(0)5,6,6(6)47,45,48(47)83,78,76(79)100,100,100(100)

注:括號(hào)內(nèi)數(shù)值為平均值

(a) (b)

圖2 沖擊斷口微觀形貌

圖3 系列沖擊試驗(yàn)曲線

根據(jù)沖擊試樣沖擊吸收能量和斷口形貌特征可確定多種韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTP、斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度FATT50和無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT等。文中采用塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTP，即沖擊試驗(yàn)上平臺(tái)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)溫度，高于此溫度，試樣將得到100%的纖維狀斷口，評(píng)定結(jié)果大約為-50 ℃，其對(duì)應(yīng)的沖擊吸收能量在80 J左右，明顯高于CrNiMoV鋼在最低使用溫度下指標(biāo)規(guī)定的50 J要求，說明該材料具有良好的低溫韌性，在溫度≥-50 ℃時(shí)，無(wú)冷脆現(xiàn)象。

2.3 斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果及分析

斷裂韌度是衡量材料韌性的重要指標(biāo)，其高低標(biāo)志著結(jié)構(gòu)部件在外加載荷作用下對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力。假如制造高壓容器材料的斷裂韌度不夠高，其結(jié)構(gòu)的容許臨界裂紋尺寸較小[5]，則該容器低溫服役時(shí)，在應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的情況下也極易發(fā)生脆斷，進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性事故[6]。金屬材料的斷裂韌度隨溫度的變化情況因材料不同而異，CrNiMoV鋼3個(gè)溫度下延性斷裂韌度JIC試驗(yàn)所得J積分與裂紋擴(kuò)展量Δa的關(guān)系曲線見圖4，經(jīng)有效性判定[7]，所得試驗(yàn)結(jié)果見表4，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，斷裂韌度均處于較高水平。

(a)25 ℃

(b)-50 ℃

(c)-70 ℃

T/℃JIC/(kJ·m-2)KIC/(MPa·m1/2)25161.08195.99-50189.89204.90-70179.51202.08

研究表明，鋼材的斷裂韌度與溫度的關(guān)系曲線，類似于沖擊韌性與溫度關(guān)系曲線[8]，即由上平臺(tái)、轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺(tái)組成[9]。而由CrNiMoV鋼3個(gè)溫度下的試驗(yàn)結(jié)果可知，在低溫-50，-70 ℃條件下，其斷裂韌度KIC較之25 ℃(常溫)試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值不僅沒有降低，反而略增加，這是因?yàn)閿嗔秧g度是材料強(qiáng)度和塑性的綜合體現(xiàn)，這與在該溫度范圍內(nèi)拉伸試驗(yàn)表現(xiàn)出的隨溫度降低，強(qiáng)度提高、延塑性幾乎無(wú)變化的情況相吻合。由此可以認(rèn)定，在低溫-50，-70 ℃試驗(yàn)所得結(jié)果仍處于材料斷裂韌度的上平臺(tái)區(qū)間，未進(jìn)入韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)域，這說明該CrNiMoV鋼在較大溫度范圍內(nèi)均具有良好的斷裂韌度，斷裂韌度上平臺(tái)轉(zhuǎn)變溫度≤-70 ℃。

2.4 對(duì)比討論

由上述CrNiMoV鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果和斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果可知，在試驗(yàn)溫度≥-70 ℃時(shí)，CrNiMoV鋼韌性無(wú)降低，未表現(xiàn)出低溫冷脆現(xiàn)象，斷裂韌度亦未進(jìn)入轉(zhuǎn)變區(qū)。而由系列沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知，CrNiMoV鋼塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTP大約為-50 ℃，在低于此溫度到-90 ℃左右，仍表現(xiàn)出良好的沖擊韌性；而在不低于此溫度時(shí)，材料韌性處于沖擊曲線上平臺(tái)，基本無(wú)冷脆現(xiàn)象。由試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，斷裂韌度試驗(yàn)上平臺(tái)與轉(zhuǎn)變區(qū)交叉點(diǎn)溫度(≤-70 ℃)低于沖擊試驗(yàn)溫度(-50 ℃)，其轉(zhuǎn)變溫度曲線比沖擊吸收能量轉(zhuǎn)變溫度曲線向低溫側(cè)偏移了一定數(shù)值，這主要是由于斷裂韌度試驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)加載速率，遠(yuǎn)低于沖擊試驗(yàn)加載的高應(yīng)變速率[10]。

雖不同的試驗(yàn)結(jié)果略有差異，但并不影響分析CrNiMoV鋼的低溫變脆傾向。該CrNiMoV鋼在溫度不低于-50 ℃時(shí)，已確定處于韌性上平臺(tái)區(qū)域，表現(xiàn)出較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度和使用溫度，具有良好的防止脆性斷裂的能力，完全能夠滿足容器用鋼最低使用溫度(-50 ℃)的要求，且有較大的富余量。

3 結(jié)論

(1)CrNiMoV鋼在-70～25 ℃范圍內(nèi)，隨溫度降低，拉伸強(qiáng)度增加，延塑性變化不明顯，低溫Rm/Rp0.2值略高于常溫，說明該CrNiMoV鋼在溫度高于-70 ℃時(shí)無(wú)低溫冷脆傾向。

(2)該CrNiMoV鋼塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTP約在-50 ℃，材料韌脆轉(zhuǎn)變比較緩慢，表現(xiàn)出良好的低溫沖擊韌性。

(3)該CrNiMoV鋼在溫度≥-70 ℃時(shí)，具有很高的斷裂韌度值，數(shù)據(jù)仍分布在斷裂韌度與溫度關(guān)系曲線的上平臺(tái)，表現(xiàn)出良好的低溫韌性。

(4)該CrNiMoV鋼具有良好的抗低溫脆性破壞能力，完全能夠滿足使用環(huán)境對(duì)其最低使用溫度的要求，且有很大的富余量。

(5)對(duì)該CrNiMoV鋼低溫韌性的研究，可全面評(píng)定材料的抗脆性斷裂能力，有利于對(duì)該材料進(jìn)行市場(chǎng)評(píng)定和擴(kuò)大使用范圍。