07MnNiMoDR钢火灾后冲击韧性和断裂韧度试验研究

杨景标，陈学东，范志超，艾志斌，郑 炯

(1.合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031;2.广东省特种设备检测研究院，广东广州 510655)

0 引言

金属材料过火后，其金相组织和力学性能往往发生变化［1－4］。随着材料组织的改变，材料的断裂性质可能从韧性断裂向脆性断裂转变。工程应用中需要对危化品存储压力容器发生火灾后是否可以继续投入运行进行安全评定，而冲击性能和断裂韧度的变化是过火后存储压力容器失效模式发生变化的重要因素之一［5－8］。

对于压力容器用调质高强度钢板的冲击和断裂韧度试验，已有的研究主要是考察在不同冲击温度下其吸收能量的变化规律和母材的断裂韧度［9－13］。07MnNiMoDR 为典型的大型存储压力容器用调质高强度钢，关于该材料经过不同热处理后冲击性能和断裂韧度变化规律的研究鲜见报道。研究07MnNiMoDR钢受火后的冲击和断裂性能变化规律，可以对过火后大型存储压力容器的失效判别和合于使用评价提供重要依据。

本研究对经过不同温度、保温时间和冷却速率后的07MnNiMoDR钢进行冲击和断裂韧度试验，获得其经历不同受火条件后冲击性能和断裂韧度的变化规律，进而获得该钢材受火后冲击吸收能量和断裂韧度急剧下降时的受火温度临界值和冲击吸收能量满足GB 19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》［14］要求时的受火条件。为了便于分析相关冲击性能和断裂韧度的变化规律，文中仅针对母材而未考虑焊接接头。

1 试验方法

1.1 试样制备

试验用07MnNiMoDR材料取自国产38 mm厚轧制钢板，为调质状态，其化学成分见文献［1－2］。

冲击试样根据GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》［15］横向取样，先制成12 mm×12 mm×56 mm的冲击样坯进行热模拟处理。

断裂韧度试样的取样方向为Y－X［16］，先制成22 mm×32 mm×150 mm的样坯进行热处理。

1.2 热处理方法

受火过程采用高温箱式电阻炉进行热模拟，受火过程的热模拟处理工艺同文献［1－2］。室温下将样坯置于炉内，然后升温到预先设定温度，保温到预定的时间，然后将样坯取出冷却至室温。

断裂韧度样坯和冲击样坯的受热温度均为450，550，650，750，800，850 ℃。冲击样坯在各热暴露温度下的保温时间分别为2，4，8，12 h。考虑到实际应用时大型储罐发生火灾后的冷却条件，冷却方式采用水冷和空冷两种。根据温度、保温时间和冷却方式的组合，共有48个热处理工况，所对应的冲击试样序号如表1所示。已有的研究结果表明［1－2］:在上述的保温时间和温度低于650℃时冷却方式对力学性能影响不大。因此对于断裂韧度样坯，保温时间设定为2 h，等于或低于650℃时仅考虑水冷，其他温度时则采用水冷和空冷。

表1 不同热处理工况对应的冲击试样序号

1.3 冲击试验

将热处理后的样坯加工成标准尺寸10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样，按照 GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》［17］，在ZBC－2452型摆锤金属冲击试验机上进行冲击试验。根据GB 19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》［14］的要求，本研究中冲击试验温度为－50℃。每一热处理工况下制备了3个冲击试样。为了便于比较分析，对未经热模拟处理的母材进行了3个试样的冲击试验。

1.4 断裂韧度JQ试验

将热模拟处理后的样坯加工成如图1所示的三点弯曲试样，裂纹预制和断裂韧度试验均在MTS 809上进行。为了便于比较分析，对未经过热模拟处理的母材也进行了断裂韧度试验。

图1 三点弯曲试样尺寸

预制裂纹时，严格按照 GB/T 21143—2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》［16］的要求控制最大疲劳预制裂纹力，且每个试样都使用引伸计，保证每个试样的预制疲劳裂纹长度为2 mm。

每一热处理工况下至少进行6个试样的断裂韧度试验，在MTS 809上对同一组的第1个试样进行加载，当载荷达到最大值并开始下降时停止加载，试验机自动记录载荷和加载位移，确定最大载荷和最大加载位移;在2 mm和最大加载所对应位移之间进行等分，确定同一组其余试样所对应的最大加载位移，根据每一试样的载荷曲线获得最大载荷。

将完成加载试验后的试样在箱式电阻炉中进行发蓝热处理，300℃下保温30 min。

把发蓝热处理后的试样在MTS 809上进行二次疲劳，二次疲劳裂纹长度为 1 mm。在SHT 4505型试验机上将二次疲劳后的试样压断，然后对每个试样断口在JGX－1型显微镜上按九点平均值方法进行裂纹扩展测量。

2 试验结果及分析

每一热处理工况下3个试样的冲击性能试验结果如表2所示。每一工况下的夏比冲击吸收能量按3个试样的算术平均值计算。

表2 冲击性能试验结果

(续)

试验得到了不同热模拟处理工况下的断裂阻力曲线，原母材的断裂阻力曲线见图2，全部热模拟处理工况下的阻力曲线方程和JQ值见表3。

图2 母材断裂阻力曲线

从试验结果来看，07MnNiMoDR的断裂韧度值较高，全部热模拟处理工况下的最大裂纹扩展量Δa处于0.62 ～0.81 mm 的范围，W－a0处于10.2～11.8 mm 范围，最大裂纹扩展量 Δamax满足0.5≤Δamax≤ 0.10(W－a0)的 要 求［16］。按 照GB/T 21143—2007的要求，JQ要同时满足式(1):

表3 断裂韧度试验结果

从表3可看出，JQ的最大值262.3 kJ/m2，而式(1)中W－a0的值最小，根据式(1)进行计算:

40×262.3/(575+644)=8.61≤W－a0=11

即表3中所有的JQ符合有效性判据。

2.1 温度对冲击韧性的影响

不同保温时间下冲击吸收能量随温度的变化如图3所示。可以看出，无论是空冷还是水冷，650℃以下时，冲击吸收能量基本保持在223～318 J的范围;当温度达到750℃时，冲击吸收能量急剧下降到最小值40 J左右，仅为未进行热处理的原母材冲击吸收能量的15%，不能满足07MnNiMoDR材料标准中冲击吸收能量不低于80 J的要求［14］。本研究得到的冲击吸收能量达到最小值对应的温度为750℃，与周杨飞等［8］的研究结果相同。

图3 不同保温时间下冲击吸收能量随温度的变化

从表2可以看出，750℃(对应表2中25～32试样序号)时的纤维断面率为0，即为脆性断口，说明经过750℃后材料的冲击韧性最差。当温度高于750℃时，随着温度的升高，除了图3(b)中保温2 h和4 h的工况，冲击吸收能量均表现为增大趋势。空冷时(如图3(a)所示)，当温度从750℃升高到850℃时，在保温4 h条件下，吸收能量从最小值34 J增加到93 J;而在保温12 h条件下，吸收能量则从最小值37 J增大到228 J。水冷时(如图3(b)所示)，当温度从750℃升高到850℃时，在保温12 h条件下，吸收能量则从最小值37 J增大到122 J;在保温4 h条件下，吸收能量从750℃的42 J升高到800℃的67 J，然后又下降到850℃的37 J。

周杨飞等［8］的研究结果表明，在保温1 h的条件下，SPV490Q冲击韧性出现明显下降的温度为700℃，对应的冲击韧性为293 J/cm2，750℃时冲击韧性达到最小值54 J/cm2;当温度高于750℃时，冲击韧性随温度的升高先增大，在850℃时达到新的最大值200 J/cm2;而当温度达到900℃时，冲击韧性又下降到90 J/cm2左右。如图3(b)所示，在保温2 h和4 h条件下，水冷时的冲击吸收能量随温度的变化规律与周杨飞等人的研究结果相似［8］。

2.2 温度对断裂韧度的影响

两种冷却方式下断裂韧度随温度的变化如图4所示。

图4 两种冷却方式下断裂韧度随温度的变化

可以看出，断裂韧度急剧下降时对应的温度临界值为650℃，750℃时达到最小值113～124 kJ/m2范围，仅为原母材的46.9%。当温度高于750℃时，空冷和水冷下的断裂韧度均随温度升高而不断增大，850 ℃时分别达到212.7 和193.5 kJ/m2。

2.3 保温时间对冲击韧性的影响

图5示出不同热暴露温度下07MnNiMoDR的冲击吸收能量随保温时间的变化曲线。可以看出，当温度低于800℃时，不同温度下保温时间对冲击吸收能量的影响不明显;当温度≤650℃时，冲击吸收能量基本保持在223～318 J的范围;当温度达到750℃以上时，冲击吸收能量急剧下降;800℃时的冲击吸收能量保持在37～85 J的范围。周杨飞等［8］仅考察了750℃下保温1，2，3 h时SPV490Q冲击韧性的变化，其结果表明750℃下保温时间对SPV490Q冲击韧性的影响很小。本研究的结果表明，当温度低于800℃时，不同温度下保温时间对冲击吸收能量的影响不明显，与周杨飞等［8］的研究结果相似。

图5 不同温度下冲击吸收能量随保温时间的变化

空冷时(如图5(a)所示)，750℃时的冲击吸收能量为33～42 J，仅为原母材的14%;800℃时的冲击吸收能量为37～59 J，仅为原母材的18%;而当热暴露温度达到850℃时，随着保温时间的延长，冲击吸收能量不断增大，保温时间从2 h增加到12 h时，冲击吸收能量从71 J增大到228 J，为原母材的 83.8%。

水冷时(如图5(b)所示)，750℃时的冲击吸收能量为20～42 J，仅为原母材的11%;800℃时的冲击吸收能量为66～85 J，仅为原母材的27.8%;而当热暴露温度达到850℃时，随着保温时间的延长，冲击吸收能量不断增大，保温时间从4 h增加到12 h时，冲击吸收能量从37 J增大到122 J，为原母材的 44.9%。

总体而言，当温度达到750℃或以上时，07MnNiMoDR的冲击吸收能量达不到材料标准GB 19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》［14］的不低于 80 J的要求。

2.4 冷却方式对冲击韧性和断裂韧度的影响

不同冷却方式下冲击吸收能量的变化如图6所示。可以看出，在550～750℃范围内，在同一保温时间下，水冷时的冲击吸收能量总体上低于空冷时的值。从表3和图4可以看出，当温度高于750℃时，空冷时的断裂韧度均大于水冷时的值，这说明水冷比空冷更容易使07MnNiMoDR钢产生脆性断裂倾向。

3 结论

(1)无论是空冷还是水冷，07MnNiMoDR钢受火后其冲击吸收能量和断裂韧度急剧下降时的温度临界值为650℃，在750℃时冲击吸收能量达到最小值40 J左右，断裂韧度则达到113～124 kJ/m2的最小值范围。在临界温度650℃左右，水冷时的冲击吸收能量小于空冷时的值。当温度高于650℃时，空冷时的断裂韧度大于水冷时的值，两种冷却方式下的断裂韧度均随温度升高而增大。

图6 两种冷却方式下冲击吸收能量随温度的变化

(2)当温度在650℃以下，空冷和水冷时07MnNiMoDR钢在不同保温时间下的冲击吸收能量均满足大于80 J的要求;750和800℃下空冷和水冷时，不同保温时间下的冲击吸收能量均低于80 J;在850℃且保温时间低于4 h条件下，空冷和水冷时的冲击吸收能量均低于80 J，当保温时间达到8 h以上时，空冷和水冷时的冲击吸收能量均大于80 J。

(3)当温度低于800℃时，保温时间对07MnNiMoDR钢冲击吸收能量的影响不明显;850℃时的冲击吸收能量随保温时间的增大而不断增大。

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［14］GB 19189—2011，压力容器用调质高强度钢板［S］.

［15］GB/T 2975—1998，钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备［S］.

［16］GB/T 21143—2007，金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法［S］.

［17］GB/T 229—2007，金属材料 夏比摆锤冲击试验方法［S］.