10Ni3MoVD钢锻件的低温韧性

，

(合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引 言

NB/T 47009-2017标准中所列的用于设计温度-50 ℃承压设备的锻件的材料牌号为10Ni3MoVD，该材料是20世纪80年代初国内压力容器厂家为制造低温球罐而研制的[1-2]。但在之后的20多年时间里，国内建造的大型乙烯、丙烯用低温球罐均没有采用10Ni3MoVD钢锻件，也几乎查不到相关制造的供货记录[3-5]。这主要是由于受冶炼技术、冶炼设备以及轧制水平的限制，国产材料的化学成分和力学性能的稳定性得不到用户的认可，国内建造的低温球罐用锻件大多选用进口材料[6-9]。为了验证10Ni3MoVD钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性的稳定性，推动压力容器用钢的国产化，作者试制了10Ni3MoVD钢锻件并进行了调质热处理，研究了其显微组织、拉伸性能和低温韧性。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为10Ni3MoVD钢锭，由浙江大隆合金钢有限公司生产，其炉罐号为712B-VD93。此钢锭的主要工艺流程为电炉冶炼→VD真空脱气精炼→下注法浇注，钢锭规格为325 mm×325 mm，试验钢的熔炼成分及浇注样成分见表1。将10Ni3MoVD钢锭按锻造比大于3.5锻造成尺寸为280 mm×480 mm×70 mm的钢板，并进行调质热处理，调质热处理的回火温度为660 ℃。

1.2 试验方法

在外观无裂纹、夹层、折叠等缺陷的试验钢上，沿截面方向制取全厚度金相试样(厚度t为70 mm)，经研磨抛光，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，根据GB/T 13298-2015，使用XHC-SV2型光学显微镜对表层、t/4位置和t/2位置的显微组织进行观察，依据GB/T 6394-2017进行晶粒度的评定。

表1 10Ni3MoVD钢的熔炼成分和浇注样成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of smelting and casting sample of 10Ni3MoVD steel (mass) %

图1 试验钢不同位置的显微组织Fig.1 Microstructure at different positions of tested steel: (a) surface layer, at low magnification; (b) t/4 position, at low magnification; (c) t/2 position, at low magnification; (d) surface layer, at high magnification; (e) t/4 position, at high magnification and (f) t/2 position, at high magnification

沿试验钢厚度方向，在其表层、t/4位置和t/2位置分别截取规格为φ10 mm的拉伸试样，标距为100 mm，按照GB/T 228.1-2010，使用QX-W700型万能试验机进行拉伸试验，加载速率为30 MPa·s-1。

分别在试验钢的表层、t/4位置和t/2位置截取尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的标准夏比冲击试样，开深度为2 mm的V型缺口，按照GB/T 19748-2005和GB/T 229-2007，在ZBC2452N-4型示波冲击试验机上进行夏比冲击试验，试验温度为-100～20 ℃，冷却介质为无水乙醇加液氮。观察试验钢的冲击断口宏观形貌，按照GB/T 12778-2008测定晶状断面率及侧膨胀值，测3个试样取平均值。分别在试验钢的表层和t/4位置截取尺寸为20 mm×50 mm×130 mm的P2型试样，按GB/T 6803-2008进行落锤试验，测定其无塑性转变温度，冲击温度为-75～-60 ℃，冷却介质为工业酒精加液氮，过冷度为2～3 ℃。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可以看出：试验钢表层和t/4位置的显微组织均为回火索氏体+贝氏体，t/2位置处的显微组织为回火索氏体+贝氏体+铁素体；表层组织中的回火索氏体略保留马氏体位向关系，且表层的晶粒尺寸大于t/4位置和t/2位置处的，这是由于在进行调质热处理时，表层在高温区的停留时间相对较长，奥氏体晶粒较t/4位置和t/2位置处的有所长大。表层、t/4和t/2位置处的平均晶粒度分别为9.5，10，10级，均不低于9.5级。

2.2 拉伸性能

在NB/T 47009-2017标准中规定，10Ni3MoVD钢的抗拉强度Rm为600～760 MPa，屈服强度ReL不低于480 MPa，断后伸长率A不低于17%。由表2可以看出：试验钢不同位置试样的拉伸性能均满足标准要求，且断后伸长率比标准指标的下限值高出较多；表层的抗拉强度明显高于t/2位置的，这主要是由于t/2位置的显微组织中存在部分强度较低的铁素体组织。

表2 试验钢不同位置试样的拉伸性能Table 2 Tensile properties of samples from differentpositions of tested steel

2.3 冲击性能

把不同温度下的总冲击吸收能量Wt(即冲击吸收功AKV)，按照GB/T 19748-2005附录D的规定分解为裂纹形成能量Wi和裂纹扩展能量Wp，从而绘制出总冲击吸收能量、裂纹形成能量和裂纹扩展能量与温度的关系曲线，如图2所示。由图2可以看出：在-50 ℃冲击温度下，试验钢表层、t/4位置和t/2位置的总冲击吸收能量分别为202，176，182 J，远高于NB/T 47009-2017标准中80 J的最低指标要求；试验钢不同位置的裂纹扩展能量占总冲击吸收能量的比例较大，但随冲击温度的降低明显下降；裂纹形成能量随冲击温度的降低先略有变化，当冲击温度在-80～-60 ℃时开始迅速下降。由此可见，试验钢在-60 ℃以上具有很好的抗裂纹形成及扩展能力。

由表3可以看出，在-50 ℃冲击温度下，试验钢不同位置试样的晶状断面率均低于20%，侧膨胀值均不小于2.25 mm，说明试验钢在此温度下具有很好的冲击韧性。

图2 试验钢不同位置试样的冲击吸收能量随冲击温度的变化曲线Fig.2 Impact absorbed energy vs impact temperature curves of samples from different positions of tested steel:(a) surface layer; (b) t/4 position and (c) t/2 position

Table3Percentageofcrystallinityandlateralexpansionofimpactfractureofsamplesfromdifferentpositionsoftestedsteel

冲击温度/℃晶状断面率/%侧膨胀值/mm表层t/4位置t/2位置表层t/4位置t/2位置200002.242.311.5800002.322.212.36-200002.482.472.41-400872.292.302.30-5001982.252.262.36-60942232.241.972.11-802550472.071.701.83-1005273811.501.300.83

由图3可以看出，随着冲击温度的降低，试验钢不同位置试样冲击断口上的晶状断裂区域变大，在-100 ℃下冲击后试样呈脆性断裂状态。

图3 不同温度冲击后试样断口的宏观形貌Fig.3 Macroscopic morphology of fracture of samples afterimpact at different temperatures

2.4 无塑性转变温度

由表4可以得到，试验钢表层和t/4位置处的无塑性转变温度分别为-75，-65 ℃。由此可见，试验钢在-50 ℃仍具有优良的冲击韧性，并且还有一定的富余量。

由图4可以看出：取自试验钢表层的试样在-70 ℃下进行落锤试验后未发生断裂，在-75 ℃下发生脆断；取自试验钢t/4位置的试样在-60 ℃下进行落锤试验后未发生断裂，在-65 ℃下发生脆断。由此可见，试验钢表层的低温韧性略优于t/4位置的，这与冲击试验结果吻合。

表4 试验钢不同位置试样的落锤试验结果Table 4 Drop-weight test results of samples from differentpositions of tested steel

图4 试验钢不同位置试样落锤试验后的外观Fig.4 Appearance of samples from different positions of tested steelafter drop-weight test: (a) surface layer and (b) t/4 position

3 结 论

(1) 将10Ni3MoVD钢锭按锻造比大于3.5锻造成钢板，并进行调质热处理，所得试验钢的显微组织主要由回火索氏体和贝氏体组成，不同厚度位置的晶粒度均不低于9.5级。

(2) 试验钢的拉伸性能满足NB/T 47009-2017标准中的指标要求；在-50 ℃下，试验钢的冲击韧性优良，总冲击吸收能量不低于176 J，满足标准规定的大于80 J的指标要求，其冲击断口晶状断面率低于20%，侧膨胀值大于2.25 mm；试验钢表层及t/4位置的无塑性转变温度分别为-75，-65 ℃，表层的低温韧性略优于t/4位置的。