40CrNiMo鋼低溫沖擊性能研究與應(yīng)用

那艷會，周吉貞，王大宏，王全振

1.通用技術(shù)大連機床有限責(zé)任公司 遼寧大連 1160002.大連長豐實業(yè)總公司 遼寧大連 116003

3.沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司 遼寧沈陽 110869

1 序言

低溫的定義，按照GB 150—2011《壓力容器》的規(guī)定，低于－20℃界定為低溫[1]。目前，國內(nèi)機床行業(yè)高強度緊固件類零部件材料主要選40CrNiMo鋼，在常溫條件下應(yīng)用情況良好，然而在低溫環(huán)境下該材料使用性能應(yīng)用未見相關(guān)報道。本文探究不同溫度對40CrNiMo鋼低溫沖擊性能的影響，確保機器零部件在低溫環(huán)境中服役的安全性和穩(wěn)定性。

2 試驗材料及方法

試驗材料為4 0 C r N i M o鋼，試棒尺寸為φ100mm×100mm，其化學(xué)成分見表1。該材料是經(jīng)電爐冶煉、鍛造成形，并經(jīng)超聲波檢測為合格。采用夏比V型檢測試樣，執(zhí)行GB/T 229—2007《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗方法》規(guī)定，在JWB-300型沖擊試驗機上進(jìn)行（結(jié)果取3個試驗的平均值），試驗用的低溫裝置是液氮和酒精混合液作為恒溫介質(zhì)在低溫鍋中保溫。該材料首先進(jìn)行熱處理，870℃正火（空冷）+860℃淬火（油冷）+580℃回火（空冷），然后進(jìn)行常溫（20℃）拉伸性能檢測，結(jié)果見表2。

表1 試驗材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 拉伸性能測試結(jié)果

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 正火處理后晶粒度評定

40CrNiMo鋼經(jīng)870℃正火處理后，進(jìn)行晶粒度檢測。按照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》通過對比法對試樣進(jìn)行晶粒度評定，晶粒度等級為5級，如圖1所示。

圖1 1#試樣40CrNiMo鋼正火處理后奧氏體晶粒

3.2 調(diào)質(zhì)處理后金相組織分析

40CrNiMo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行金相顯微鏡觀察，金相顯微組織如圖2所示。由圖2可以看出，40CrNiMo鋼調(diào)質(zhì)處理后室溫金相組織為回火索氏體+彌散分布的細(xì)小殘留奧氏體，組織分布更加彌散，晶粒更細(xì)小，組織更致密[2]。

圖2 1#試樣40CrNiMo鋼調(diào)質(zhì)處理后顯微組織

3.3 低溫沖擊性能結(jié)果分析

首先選擇常溫下（2 0℃）進(jìn)行沖擊試驗，以保證材料在常溫下正常使用，然后再分別進(jìn)行－20℃、－30℃、－40℃、－60℃、－70℃共5個低溫溫度對材料進(jìn)行沖擊試驗。試樣規(guī)格為10mm×10mm×55mm，V型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣。具體低溫沖擊試驗數(shù)據(jù)見表3。從試驗數(shù)據(jù)總體來看還是比較有規(guī)律的，試驗溫度越低，沖擊吸收能量也越低。如果按照沖擊試驗?zāi)芰糠ㄔu定以27J判定是否合格，那么－60℃以上低溫沖擊試驗都是合格的。從而說明40CrNiMo鋼最低可以使用到－60℃，為零部件材料選擇提供了理論依據(jù)。

表3 低溫沖擊試驗數(shù)據(jù) （J）

3.4 低溫沖擊斷口形貌分析

對各溫度下的沖擊斷口形貌進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀察，圖3為不同溫度下的斷口形貌。從圖3中可以看出，在－20～－40℃內(nèi)能看到有明顯的網(wǎng)狀組織，斷口處有很多大且深的韌窩，為韌性斷裂[3]；而在－60～－70℃內(nèi)為少量韌窩+準(zhǔn)解理斷裂，在－60℃及以下溫度，網(wǎng)狀組織越來越少，出現(xiàn)了河流花樣特征，為解理斷裂[4]。結(jié)合表3低溫沖擊試驗數(shù)據(jù)可以得出，40CrNiMo鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－60℃。

圖3 各溫度下40CrNiMo鋼的SEM沖擊斷口形貌（3000×）

4 結(jié)束語

1）隨著沖擊溫度的降低，40CrNiMo鋼的沖擊吸收能量總體趨勢是下降的，在≤－50℃時下降速度較快。

2）掃描電鏡觀察斷口形貌分析得出－60～－40℃之間材料發(fā)生較為明顯的脆性斷裂，因此40CrNiMo鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－60℃。

3）通過40CrNiMo鋼低溫沖擊吸收能量數(shù)值可以得出，如果以27J為合格值，那么在－60℃以上時低溫沖擊試驗都是合格的，從而證明40CrNiMo鋼最低使用溫度可以達(dá)到－60℃。