2.25Cr-1Mo钢低温冲击性能和韧脆转变温度研究*

朱晓林， 贾　欣， 王　琼， 掌成明， 王　鲲

(江苏省产品质量监督检验研究院， 江苏 南京　210007)



2.25Cr-1Mo钢低温冲击性能和韧脆转变温度研究*

朱晓林， 贾欣， 王琼， 掌成明， 王鲲

(江苏省产品质量监督检验研究院， 江苏 南京210007)

对2.25Cr-1Mo钢进行了系列温度的夏比V型缺口冲击试验，通过冲击吸收能量和断口形貌研究了其低温冲击韧性和韧脆转变温度。结果表明，该钢管在高于-30 ℃温度时呈韧性断裂或韧脆性混合断裂，低于-30℃呈解理脆性断裂。其韧脆转变温度为-23.9℃。

2.25Cr-1Mo； 夏比冲击； 韧脆转变温度

引言

2.25Cr-1Mo系钢种是一种低合金铬钼铁素体耐热钢，典型代表是美标P22/T22和国标牌号12Cr2MoG。该钢种在控制C，P，S元素的基础上加入了Cr，Mo等合金元素，大大提高了其综合力学性能，且兼具良好的高温热强性和焊接性能。在核电、火电等高温装备和换热系统中得到了广泛的应用[1-3]。各机构对该钢种的成分、组织、力学性能和焊接性能进行了系统深入的研究[4-8]。2.25Cr-1Mo是典型的热强钢，因此少有学者对其低温韧性和韧脆转变温度进行研究。然而，2.25Cr-1Mo系钢种具备优异的抗氢腐蚀性，在石油化工某些室温甚至低温临氢装备中也有着广泛的使用前景，因此进行2.25Cr-1Mo系钢种的低温韧性和韧脆转变温度研究具有积极意义。

本文对2.25Cr-1Mo系钢种的典型代表P22进行了不同温度的夏比V型缺口冲击试验。样品为Φ325 mm×18 mm的钢管，状态为正火+回火。检测其冲击吸收能量，观察其断口形貌，分析其断裂模式。并通过系列温度的冲击试验研究其韧脆转变温度，以期为该产品的生产和使用提供技术参考。

1　实验部分

1.1试验设备

采用INSRON公司SI-1M摆锤冲击试验机进行夏比V型缺口冲击试验。采用奥林巴斯SZX16体式显微镜进行断口低倍形貌观察，采用ZEISS公司SIGMA场发射扫描电镜观察断口高倍形貌。

1.2试验方法

本次试验样品制备依据GB/T 2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》，试样尽可能靠近钢管外表面。试验依据标准GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》。压缩机冷却使用无水乙醇作为介质。试样在低温槽中保温至少5 min.。每个温度测试结果取3个试样的算术平均值。

2　结果与分析

2.1夏比冲击试验

夏比冲击是测定金属材料冲击韧性和缺口敏感性的试验。本文依据GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》对P22钢管进行了夏比冲击试验。试样为纵向(即试样缺口垂直于钢管纵向)，冲击试样为标准尺寸55 mm×10 mm×10 mm，V型缺口，采用2 mm的冲击摆锤刃口。试验记录了试样的冲击吸收能量KV2和剪切断面率，试验结果如表1所示。试样室温冲击吸收能量平均值为326 J，远高于GB 5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》标准中对12Cr2MoG材料的要求(40 J)，且冲击断口剪切断面率为99%，表明材料具有优异的冲击韧性，且冲击断裂模式为韧性断裂。-20，-25，和-30℃的冲击吸收能量和剪切断面率均依次降低。

表1　夏比V型缺口冲击试验结果

试样规格/mm方向试验温度/℃冲击吸收能量KV2均值/J剪切断面率均值/%55×10×10纵向2032699-2029477-2526166-309223

4个温度冲击断口宏观形貌如图1所示。20 ℃冲击断口100%剪切断裂，无解理脆性断裂特征，整个断口具有分明的纤维区(裂纹形成区)、放射区(裂纹扩展区)和剪切唇区(剪切断裂区)3个区域，呈明显的韧性断裂。-20℃和-25℃冲击断口兼具剪切断裂和解理断裂特征，且-25 ℃冲击断口的解理断裂面积增大。-30℃冲击断口具备强烈的金属光泽，为结晶状断口，表现出典型的解理特征，为脆性断裂。

图1　夏比V型缺口冲击断口宏观形貌

采用ZEISS公司SIGMA场发射扫描电镜观察断口的微观形貌特征。图2(a)为20℃冲击断口，韧窝被拉长呈抛物线状，具备撕裂韧窝特征，韧窝的方向指向裂纹形成区，反方面指向裂纹扩展区。断口上有具备撕裂特征的不规则显微孔洞(如箭头所示)。图2(b-1)和图2(c-1)分别为-20℃和-25℃冲击断口的裂纹形成区(纤维区)，同样表现为撕裂韧窝特征。图2(b-2)和图2(c-2)是-20℃和-25℃两个冲击试样宏观断口中具备解理断裂特征区域的高倍形貌，大部区域具有典型的解理台阶、河流花样和扇形花样，呈脆性断裂特征。不在同一晶面上的解理裂纹之间产生较大的塑性变形，形成撕裂脊线(如黑色箭头所示)。部分扇形花样的边缘处局部具有少量韧窝(白色箭头处)，断口形貌上存在撕裂岭，呈现准解理断裂特征。图2(d)是-30℃温度下冲击试样断口微观形貌，典型的解理台阶、河流花样和扇形花样，没有明显韧窝，呈解理脆性断裂。

2.2韧脆转变温度

脆性转变温度是评价一个钢种性能好坏的重要指标之一，直接影响着产品的有效使用温度范围和使用用途。转变温度过高，则有可能在应用甚至加工过程中发生脆性断裂，造成事故。因此，准确地判定产品韧脆转变温度非常必要。本文采用系列温度的夏比V型缺口冲击试验，通过测量不同温度下冲击断口的剪切断面率，结合冲击吸收能量和断口形貌判断钢管的韧脆转变温度。GB/T 229-2007标准中，对于韧脆转变温度有四种判据：冲击吸收能量达到特定值；冲击吸收能量达到上一平台的某一比例；剪切断面率达到某一百分数；侧向膨胀值达到某一量。其中FATT50法因操作简便、影响因素少而广泛使用。该方法是以冲击试样的剪切断面率为50%所对应的温度作为材料的韧脆转温度。本次试验即采用此方法检测试样的韧脆转变温度，从而对其低温适用性做出评价，为实际应用提供依据。

夏比V型缺口冲击剪切断面率随温度的变化显示出显著特征。在试验数据充分的情况下，曲线有比较稳定的上平台、下平台和敏感的转变区。在低温下，钢是脆性的，断口纤维率很低，断口以结晶状解理断口主导。在转变温度附近，剪切断面率迅速增加，为(准)解理加韧窝的混合断口。超过转变温度之后，钢逐渐变成完全塑性的，出现上平台，断口基本是韧窝形态。研究发现，从曲线的物理意义和相关性分析，采用Boltzmann 函数可以较好地表征材料的韧脆转变过程[9-10]。根据不同温度下的夏比V型缺口试样冲击试验结果，以剪切断面率为纵坐标，以试验温度为横坐标绘制曲线，进行Boltzmann 函数拟合，曲线如图3所示。试验结果的拟合数据表明，钢管的韧脆转变温度为-23.9℃，这与冲击吸收能量随温度下降趋势相吻合。钢管较低的韧脆转变温度得益于原材料于w(P)的控制(0.012%) 和较细的晶粒尺寸(7.5级)。

图2　夏比V型缺口冲击断口微观形貌

图3　温度-剪切断面率拟合曲线

3　结　论

(1)本文试验的2.25Cr-1Mo钢管在温度高于-30℃时呈韧性断裂或韧脆性混合断裂，低于-30℃呈解理脆性断裂。

(2)采用Boltzmann 函数拟合温度-剪切断面率曲线得出钢管韧脆转变温度FATT50为-23.9℃。

[1]张俊萍，肖功业，何彪，等. A335P22 大口径核电用无缝钢管产品性能研究[J].四川冶金,2014,36(5):27—28.

[2]邓丕安.T22合金高压锅炉管的研制[D]. 长沙：中南大学.2006.

[3]王德伟,胡从荣,付志伟,等.T22/TP310H异种钢焊接接头的显微组织分析[J].热加工工艺.2014,43(15):47—49.

[4]张志成, 李永灯, 阮玲慧, 等.高压锅炉用12Cr2Mo高强韧406 mm×40.5 mm钢管的热处理、组织和性能[J].特殊钢.2015,36(1):52—55.

[5]徐益峰.苏钢T22高压锅炉管坯开发实践[J].现代冶金.2009,37(4)：8—9.

[6]沈征杰, 高宏明, 谢冬明.核电用WB36CN1及P22无缝钢管的研制[J]. 现代冶金.2013,41(5):16—19.

[7]熊君,陈俊德,徐小华,等.P5和P22钢无缝钢管热扩工艺的低温形变退火研究[J].上海金属,2014,32(4):48.

[8]王涛. A355 P22厚壁管道的焊接技术在施工中的应用[J].石油化工设备技术.2013,34(5):53—56.

[9]王烽, 廉晓洁．冲击韧脆转变曲线数学模型的选择[J]．理化检验-物理分册.2009，45(10):617—632．

[10]罗晓蓉, 陈晨枫, 丁欲晓, 等.基于Origin软件正确评定韧脆性转变温度[J].物理测试.2010，28(2):37—39.

2015-11-28

朱晓林(1983—)，男，工程师

TG115.5+6