朱曉林， 賈　欣， 王　瓊， 掌成明， 王　鯤

(江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 江蘇 南京　210007)

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2.25Cr-1Mo鋼低溫沖擊性能和韌脆轉(zhuǎn)變溫度研究*

朱曉林， 賈欣， 王瓊， 掌成明， 王鯤

(江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 江蘇 南京210007)

對(duì)2.25Cr-1Mo鋼進(jìn)行了系列溫度的夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，通過(guò)沖擊吸收能量和斷口形貌研究了其低溫沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度。結(jié)果表明，該鋼管在高于-30 ℃溫度時(shí)呈韌性斷裂或韌脆性混合斷裂，低于-30℃呈解理脆性斷裂。其韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-23.9℃。

2.25Cr-1Mo； 夏比沖擊； 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

引言

2.25Cr-1Mo系鋼種是一種低合金鉻鉬鐵素體耐熱鋼，典型代表是美標(biāo)P22/T22和國(guó)標(biāo)牌號(hào)12Cr2MoG。該鋼種在控制C，P，S元素的基礎(chǔ)上加入了Cr，Mo等合金元素，大大提高了其綜合力學(xué)性能，且兼具良好的高溫?zé)釓?qiáng)性和焊接性能。在核電、火電等高溫裝備和換熱系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。各機(jī)構(gòu)對(duì)該鋼種的成分、組織、力學(xué)性能和焊接性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究[4-8]。2.25Cr-1Mo是典型的熱強(qiáng)鋼，因此少有學(xué)者對(duì)其低溫韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行研究。然而，2.25Cr-1Mo系鋼種具備優(yōu)異的抗氫腐蝕性，在石油化工某些室溫甚至低溫臨氫裝備中也有著廣泛的使用前景，因此進(jìn)行2.25Cr-1Mo系鋼種的低溫韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度研究具有積極意義。

本文對(duì)2.25Cr-1Mo系鋼種的典型代表P22進(jìn)行了不同溫度的夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。樣品為Φ325 mm×18 mm的鋼管，狀態(tài)為正火+回火。檢測(cè)其沖擊吸收能量，觀察其斷口形貌，分析其斷裂模式。并通過(guò)系列溫度的沖擊試驗(yàn)研究其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，以期為該產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用提供技術(shù)參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)設(shè)備

采用INSRON公司SI-1M擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。采用奧林巴斯SZX16體式顯微鏡進(jìn)行斷口低倍形貌觀察，采用ZEISS公司SIGMA場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察斷口高倍形貌。

1.2試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)樣品制備依據(jù)GB/T 2975-1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》，試樣盡可能靠近鋼管外表面。試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》。壓縮機(jī)冷卻使用無(wú)水乙醇作為介質(zhì)。試樣在低溫槽中保溫至少5 min.。每個(gè)溫度測(cè)試結(jié)果取3個(gè)試樣的算術(shù)平均值。

2　結(jié)果與分析

2.1夏比沖擊試驗(yàn)

夏比沖擊是測(cè)定金屬材料沖擊韌性和缺口敏感性的試驗(yàn)。本文依據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)P22鋼管進(jìn)行了夏比沖擊試驗(yàn)。試樣為縱向(即試樣缺口垂直于鋼管縱向)，沖擊試樣為標(biāo)準(zhǔn)尺寸55 mm×10 mm×10 mm，V型缺口，采用2 mm的沖擊擺錘刃口。試驗(yàn)記錄了試樣的沖擊吸收能量KV2和剪切斷面率，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試樣室溫沖擊吸收能量平均值為326 J，遠(yuǎn)高于GB 5310-2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)12Cr2MoG材料的要求(40 J)，且沖擊斷口剪切斷面率為99%，表明材料具有優(yōu)異的沖擊韌性，且沖擊斷裂模式為韌性斷裂。-20，-25，和-30℃的沖擊吸收能量和剪切斷面率均依次降低。

表1　夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試樣規(guī)格/mm方向試驗(yàn)溫度/℃沖擊吸收能量KV2均值/J剪切斷面率均值/%55×10×10縱向2032699-2029477-2526166-309223

4個(gè)溫度沖擊斷口宏觀形貌如圖1所示。20 ℃沖擊斷口100%剪切斷裂，無(wú)解理脆性斷裂特征，整個(gè)斷口具有分明的纖維區(qū)(裂紋形成區(qū))、放射區(qū)(裂紋擴(kuò)展區(qū))和剪切唇區(qū)(剪切斷裂區(qū))3個(gè)區(qū)域，呈明顯的韌性斷裂。-20℃和-25℃沖擊斷口兼具剪切斷裂和解理斷裂特征，且-25 ℃沖擊斷口的解理斷裂面積增大。-30℃沖擊斷口具備強(qiáng)烈的金屬光澤，為結(jié)晶狀斷口，表現(xiàn)出典型的解理特征，為脆性斷裂。

圖1　夏比V型缺口沖擊斷口宏觀形貌

采用ZEISS公司SIGMA場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌特征。圖2(a)為20℃沖擊斷口，韌窩被拉長(zhǎng)呈拋物線狀，具備撕裂韌窩特征，韌窩的方向指向裂紋形成區(qū)，反方面指向裂紋擴(kuò)展區(qū)。斷口上有具備撕裂特征的不規(guī)則顯微孔洞(如箭頭所示)。圖2(b-1)和圖2(c-1)分別為-20℃和-25℃沖擊斷口的裂紋形成區(qū)(纖維區(qū))，同樣表現(xiàn)為撕裂韌窩特征。圖2(b-2)和圖2(c-2)是-20℃和-25℃兩個(gè)沖擊試樣宏觀斷口中具備解理斷裂特征區(qū)域的高倍形貌，大部區(qū)域具有典型的解理臺(tái)階、河流花樣和扇形花樣，呈脆性斷裂特征。不在同一晶面上的解理裂紋之間產(chǎn)生較大的塑性變形，形成撕裂脊線(如黑色箭頭所示)。部分扇形花樣的邊緣處局部具有少量韌窩(白色箭頭處)，斷口形貌上存在撕裂嶺，呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征。圖2(d)是-30℃溫度下沖擊試樣斷口微觀形貌，典型的解理臺(tái)階、河流花樣和扇形花樣，沒(méi)有明顯韌窩，呈解理脆性斷裂。

2.2韌脆轉(zhuǎn)變溫度

脆性轉(zhuǎn)變溫度是評(píng)價(jià)一個(gè)鋼種性能好壞的重要指標(biāo)之一，直接影響著產(chǎn)品的有效使用溫度范圍和使用用途。轉(zhuǎn)變溫度過(guò)高，則有可能在應(yīng)用甚至加工過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂，造成事故。因此，準(zhǔn)確地判定產(chǎn)品韌脆轉(zhuǎn)變溫度非常必要。本文采用系列溫度的夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量不同溫度下沖擊斷口的剪切斷面率，結(jié)合沖擊吸收能量和斷口形貌判斷鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。GB/T 229-2007標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于韌脆轉(zhuǎn)變溫度有四種判據(jù)：沖擊吸收能量達(dá)到特定值；沖擊吸收能量達(dá)到上一平臺(tái)的某一比例；剪切斷面率達(dá)到某一百分?jǐn)?shù)；側(cè)向膨脹值達(dá)到某一量。其中FATT50法因操作簡(jiǎn)便、影響因素少而廣泛使用。該方法是以沖擊試樣的剪切斷面率為50%所對(duì)應(yīng)的溫度作為材料的韌脆轉(zhuǎn)溫度。本次試驗(yàn)即采用此方法檢測(cè)試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而對(duì)其低溫適用性做出評(píng)價(jià)，為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

夏比V型缺口沖擊剪切斷面率隨溫度的變化顯示出顯著特征。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分的情況下，曲線有比較穩(wěn)定的上平臺(tái)、下平臺(tái)和敏感的轉(zhuǎn)變區(qū)。在低溫下，鋼是脆性的，斷口纖維率很低，斷口以結(jié)晶狀解理斷口主導(dǎo)。在轉(zhuǎn)變溫度附近，剪切斷面率迅速增加，為(準(zhǔn))解理加韌窩的混合斷口。超過(guò)轉(zhuǎn)變溫度之后，鋼逐漸變成完全塑性的，出現(xiàn)上平臺(tái)，斷口基本是韌窩形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，從曲線的物理意義和相關(guān)性分析，采用Boltzmann 函數(shù)可以較好地表征材料的韌脆轉(zhuǎn)變過(guò)程[9-10]。根據(jù)不同溫度下的夏比V型缺口試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果，以剪切斷面率為縱坐標(biāo)，以試驗(yàn)溫度為橫坐標(biāo)繪制曲線，進(jìn)行Boltzmann 函數(shù)擬合，曲線如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果的擬合數(shù)據(jù)表明，鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-23.9℃，這與沖擊吸收能量隨溫度下降趨勢(shì)相吻合。鋼管較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度得益于原材料于w(P)的控制(0.012%) 和較細(xì)的晶粒尺寸(7.5級(jí))。

圖2　夏比V型缺口沖擊斷口微觀形貌

圖3　溫度-剪切斷面率擬合曲線

3　結(jié)　論

(1)本文試驗(yàn)的2.25Cr-1Mo鋼管在溫度高于-30℃時(shí)呈韌性斷裂或韌脆性混合斷裂，低于-30℃呈解理脆性斷裂。

(2)采用Boltzmann 函數(shù)擬合溫度-剪切斷面率曲線得出鋼管韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50為-23.9℃。

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2015-11-28

朱曉林(1983—)，男，工程師

TG115.5+6