鈮釩成分熱軋H型鋼翼緣落錘沖擊性能與斷口形貌分析

李令鋒，陳 輝,2，何軍委,2

((1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司；2. 工信部工業(yè)(車輪、H型鋼)產(chǎn)品質(zhì)量控制和技術(shù)評價實驗室 安徽馬鞍山 243000)

近年來，隨著石油天然氣能源開發(fā)，熱軋H型鋼在油氣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增多。尤其是對于一些高寒低溫地區(qū)，油氣能源的開發(fā)對耐低溫結(jié)構(gòu)鋼材有了越來越多的要求。低溫?zé)彳圚型鋼由于其沖擊韌性優(yōu)良、加工便捷，是油氣平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料。通常情況下，采用低溫沖擊試驗評價材料的耐低溫性能，但是隨著H型鋼的翼緣厚度的不斷增加，翼緣表面和心部的壓縮狀態(tài)導(dǎo)致整個翼緣的性能分布存在一定的差別，傳統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗無法準(zhǔn)確的反映出材料的真實低溫性能，而通過全翼緣厚度(或減薄)的落錘試驗來可以更有效準(zhǔn)確的評估整體材料的低溫沖擊性能。

1 試驗方案

試驗選擇H808×302×16×30規(guī)格的兩種不同成分熱軋H型鋼作為試驗鋼，采用全厚度翼緣樣，試樣執(zhí)行GB/T8363-2018標(biāo)準(zhǔn)，試樣加工尺寸為305(±5) mm×76.2(±1.5) mm，缺口大小為45°(±2°)V型，缺口深度為5.1(±0.5) mm，試樣鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗鋼化學(xué)成分(wt %)

2 試驗結(jié)果

2.1 沖擊性能

由表2、圖1可知，1#、2#試樣鋼隨著沖擊溫度的降低，其剪切面積占比不斷下降，表面材料的低溫沖擊韌性也在逐漸降低。兩種試樣鋼在-20 ℃-20 ℃的低溫沖擊溫度區(qū)間，其低溫韌性基本保持平穩(wěn)，當(dāng)沖擊溫度小于-20 ℃時，兩者剪切面積均發(fā)生了顯著的下降。其中1#試樣鋼在-60 ℃-20 ℃時，1#試樣鋼的剪切面積明顯降低，在-60 ℃最小值僅為17%，同時表明2#試驗鋼的低溫沖擊韌性略好于1#試樣鋼。

表2 不同溫度下的落錘沖擊性能

2.2 顯微組織

由圖2、圖3、表3可知，兩種試驗鋼的顯微組織均為鐵素體+珠光體，鐵素體含量為72%-78%，尺寸為10 μm-34 μm。其中，其中1#試驗鋼的顯微組織均為鐵素體占比72%，尺寸為12 μm-34 μm ，2#試驗鋼的顯微組織均為鐵素體占比78%，尺寸為10 μm-30 μm ，相比較來說，兩種試樣鋼顯微組織存在細(xì)微差別，2#試樣鋼的鐵素體占比較高，組織相對細(xì)小。

表3 試驗鋼的顯微組織

圖1 不同落錘沖擊溫度下剪切面積

2.3 斷口形貌

由圖4-圖7可知，兩種試驗鋼的落錘沖擊斷口形貌均存在韌脆轉(zhuǎn)變特征，其中1#試驗鋼的落錘沖擊斷口在0-20 ℃均為韌性斷口，有明顯的細(xì)密的韌窩結(jié)構(gòu)；-60 ℃-40 ℃時，斷口出現(xiàn)了準(zhǔn)解離斷口形貌，表明材料在-40 ℃時已經(jīng)出現(xiàn)了明顯脆性轉(zhuǎn)變。2#試驗鋼的落錘沖擊斷口在0-40 ℃為韌性斷口，有明顯的細(xì)密的韌窩結(jié)構(gòu)；在-60 ℃時，斷口仍然具有韌窩特征，但是韌窩為大小不一的凹口狀，材料已經(jīng)開始出現(xiàn)脆性的轉(zhuǎn)變趨勢。

圖2 1#試驗鋼顯微組織(×100、×100)

圖3 2#試驗鋼顯微組織(×100、×100)

圖4 1#試驗鋼落錘斷口形貌(×1000)

圖5 2#試驗鋼落錘斷口形貌(×1000)

3 結(jié)果分析

由以上結(jié)果可以看出，兩種試驗鋼的顯微組織均為鐵素體+珠光體組織，但是2#試樣鋼的鐵素體占比略高于1#試樣鋼，且平均晶粒尺寸相對細(xì)小。這表明低釩高鈮的添加效果比高釩低鈮的成分效果更加明顯，有利于組織轉(zhuǎn)變過程中鐵素體的形成和晶粒細(xì)化過程。同時，根據(jù)落錘沖擊結(jié)果表明，低釩高鈮成分可以有效降低材料的低溫沖擊韌性，擴(kuò)大材料低溫沖擊溫度區(qū)間。

圖6 1#試驗鋼-20 ℃斷口宏觀形貌(×20、×100)

圖7 2#試驗鋼-20 ℃斷口宏觀形貌(×20、×100)

同時，根據(jù)不同溫度下的斷口形貌分析，低釩高鈮試樣鋼韌窩形貌均為圓形等軸韌窩，而且韌窩相對均勻，基本呈等軸分布，個別韌窩內(nèi)含有第二相粒子，屬于典型的韌性斷裂形貌，而成分含有高釩低鈮的脆性區(qū)的斷口形態(tài)，斷口呈解理狀，而且在晶界處發(fā)源形成許多高低不平的河流花樣。尤其是在-40 ℃時的落錘斷口形貌中出現(xiàn)了解理臺階，這說明在外力作用下該處產(chǎn)生了較多的微裂紋，這些裂紋在不同晶面擴(kuò)展時相互匯合，從而使得材料發(fā)生了脆性斷裂。

4 結(jié)論

兩種不同鈮釩成分的熱軋H型鋼翼緣在-60 ℃ -20 ℃時，隨著沖擊試驗溫度的降低，熱軋H型鋼的翼緣沖擊韌性不斷降低。

兩種成分試樣鋼，高釩低鈮成分在-20 ℃沖擊韌性明顯降低，低釩高鈮成分在-40 ℃沖擊韌性明顯降低。

通過斷口形貌分析，高鈮低釩成分的試樣鋼其落錘低溫沖擊性能要更加優(yōu)良。