一种新型CrNiMoV高强钢低温韧性研究

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(洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471000)

0 引言

温度对结构钢材的韧性影响很大，在常温下表现出良好韧性的结构钢材，在低温下随着钢材脆性的增加，极容易发生低温冷脆[1]现象。压力容器是国民经济建设中的一类重要设备，广泛应用于化工、能源等领域，当环境温度降低至某一程度时，大部分压力容器用钢就可能存在脆性断裂失效的风险。

新型CrNiMoV钢是针对特种压力容器研制的高强钢材料。资料显示，无论普通容器还是在更苛刻条件下使用的轻型容器，均要求容器用钢在最低使用温度(-50 ℃)下具有较好的抗低温脆性破坏性能[2]，故材料低温性能是决定承压容器使用安全性的关键要素之一。为充分了解该新型CrNiMoV钢低温特性，本文从拉伸试验、冲击试验、断裂韧度试验等方面对该材料进行试验研究。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为轧制成无缝钢管的新型CrNiMoV高强钢，并经调质热处理，该材料化学成分见表1。

表1 CrNiMoV钢化学成分 %

1.2 拉伸试验

因韧性是强度和塑性的综合表现，故本文开展温度对CrNiMoV无缝钢管材料强度和延塑性的影响研究。分别对该材料进行25，-50，-70 ℃三个温度下的静态拉伸试验，每个温度取2个试样，以其平均值作为试验结果，所用试样均为∅10 mm的标准圆棒拉伸试样。

依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》和GB/T 13239—2006《金属材料 低温拉伸试验方法》，在Instron 5985试验机上进行拉伸试验，通过拉伸试验载荷-位移曲线及试样实测数据，计算出试样的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、延伸率A和断面收缩率Z。

1.3 系列冲击试验

为获得评定钢材冷脆性的冲击韧性和韧脆转变温度，依据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》在摆锤式冲击试验机上进行系列冲击试验，试样为10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口标准试样。试验选取25，0，-20，-50，-70，-100，-196 ℃共7个温度，每一温度测试3个试样，分析各冲击试样断口形貌特征，得出冲击吸收能量和断口晶状断面率随温度变化曲线。

1.4 断裂韧度试验

鉴于平面应变断裂韧度KIC可直接用于设计计算，且材料断裂韧度KIC在常温下研究较多、在低温下研究较少的情况，本文针对CrNiMoV无缝钢管材料，采用精度较高的多试样法，开展25，-50，-70 ℃三个温度下的断裂韧度测试研究。

试验依据GB/T 21143—2014《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》进行，采用三点弯曲SE(B)试样，具体尺寸见图1，每组至少6个试样，共3组。因试验要求平面应变断裂韧度KIC试样厚度B≥2.5(KIC/Rp0.2)2，CrNiMoV无缝钢管壁厚无法满足要求，故本文通过延性断裂韧度试验获得有效的JIC值，再通过KIC与JIC的表征关系，最终确定KIC值[3]。

图1 断裂韧度试样形状和尺寸

2 试验结果及分析

2.1 拉伸试验结果及分析

3个温度下CrNiMoV钢的拉伸试验结果如表2所示，可以看出，随着温度的降低，强度有所增加，延塑性变化不明显，说明延伸率A和断面收缩率Z对试验温度的降低不敏感，不适合作为评定CrNiMoV钢材料的低温冷脆指标。其中拉伸强度随着试验温度的降低呈递增趋势，主要是由于材料属于体心立方金属[4]；而延伸率和断面收缩率随试验温度的降低呈现相反的变化趋势，主要是由于二者均由颈缩前的均匀变形和颈缩后的集中变形组成，在均匀变形阶段，二者变化趋势一致，而在集中变形阶段，颈部的变形非常复杂，二者颈缩后的集中变形与试样参与局部集中变形的金属体积以及变形后的形状均有关系，故综合均匀变形和集中变形会导致延伸率和断面收缩率变化趋势不一致。

表2 不同温度下CrNiMoV钢的拉伸试验结果

注:括号内数值为平均值

在低温条件下，Rm/Rp0.2可以简单地作为材料是否发生脆性断裂的判据。二者比值越接近1，则材料变脆的可能性越大[4]。根据表2中的3个温度下的Rm/Rp0.2，可以看出，低温下的Rm/Rp0.2值均略高于常温状态下的比值，说明该材料在试验温度范围内的韧性没有降低，较之常温未出现低温冷脆倾向。

2.2 系列冲击试验结果及分析

系列冲击试验温度下，冲击试验结果见表3。随着温度的降低，材料的冲击吸收能量逐渐降低，断口形貌由纤维状断口过渡到晶状断口，断口形貌微观观察如图2所示，由韧窝型断口向脆性解理断口等转变，冲击吸收能量和断口晶状断面率随温度变化曲线见图3。

表3系列冲击试验结果

T/℃250-20-50-70-100-120-196冲击吸收能量/J98,99,96(98)93,91,91(92)88,87,88(88)81,78,80(80)68,68,69(68)36,37,30(34)26,28,29(28)16,16,18(17)晶状断面率(%)0,0,0(0)0,0,0(0)0,0,0(0)0,0,0(0)5,6,6(6)47,45,48(47)83,78,76(79)100,100,100(100)

注:括号内数值为平均值

(a) (b)

图2 冲击断口微观形貌

图3 系列冲击试验曲线

根据冲击试样冲击吸收能量和断口形貌特征可确定多种韧脆转变温度，如塑性断裂转变温度FTP、断口形貌转变温度FATT50和无塑性转变温度NDT等。文中采用塑性断裂转变温度FTP，即冲击试验上平台对应的试验温度，高于此温度，试样将得到100%的纤维状断口，评定结果大约为-50 ℃，其对应的冲击吸收能量在80 J左右，明显高于CrNiMoV钢在最低使用温度下指标规定的50 J要求，说明该材料具有良好的低温韧性，在温度≥-50 ℃时，无冷脆现象。

2.3 断裂韧度试验结果及分析

断裂韧度是衡量材料韧性的重要指标，其高低标志着结构部件在外加载荷作用下对裂纹扩展的抵抗能力。假如制造高压容器材料的断裂韧度不够高，其结构的容许临界裂纹尺寸较小[5]，则该容器低温服役时，在应力远低于屈服强度的情况下也极易发生脆断，进而引发灾难性事故[6]。金属材料的断裂韧度随温度的变化情况因材料不同而异，CrNiMoV钢3个温度下延性断裂韧度JIC试验所得J积分与裂纹扩展量Δa的关系曲线见图4，经有效性判定[7]，所得试验结果见表4，在试验温度范围内，断裂韧度均处于较高水平。

(a)25 ℃

(b)-50 ℃

(c)-70 ℃

T/℃JIC/(kJ·m-2)KIC/(MPa·m1/2)25161.08195.99-50189.89204.90-70179.51202.08

研究表明，钢材的断裂韧度与温度的关系曲线，类似于冲击韧性与温度关系曲线[8]，即由上平台、转变区和下平台组成[9]。而由CrNiMoV钢3个温度下的试验结果可知，在低温-50，-70 ℃条件下，其断裂韧度KIC较之25 ℃(常温)试验结果，数值不仅没有降低，反而略增加，这是因为断裂韧度是材料强度和塑性的综合体现，这与在该温度范围内拉伸试验表现出的随温度降低，强度提高、延塑性几乎无变化的情况相吻合。由此可以认定，在低温-50，-70 ℃试验所得结果仍处于材料断裂韧度的上平台区间，未进入韧脆转变区域，这说明该CrNiMoV钢在较大温度范围内均具有良好的断裂韧度，断裂韧度上平台转变温度≤-70 ℃。

2.4 对比讨论

由上述CrNiMoV钢拉伸试验结果和断裂韧度试验结果可知，在试验温度≥-70 ℃时，CrNiMoV钢韧性无降低，未表现出低温冷脆现象，断裂韧度亦未进入转变区。而由系列冲击试验结果可知，CrNiMoV钢塑性断裂转变温度FTP大约为-50 ℃，在低于此温度到-90 ℃左右，仍表现出良好的冲击韧性；而在不低于此温度时，材料韧性处于冲击曲线上平台，基本无冷脆现象。由试验结果对比可知，断裂韧度试验上平台与转变区交叉点温度(≤-70 ℃)低于冲击试验温度(-50 ℃)，其转变温度曲线比冲击吸收能量转变温度曲线向低温侧偏移了一定数值，这主要是由于断裂韧度试验为准静态加载速率，远低于冲击试验加载的高应变速率[10]。

虽不同的试验结果略有差异，但并不影响分析CrNiMoV钢的低温变脆倾向。该CrNiMoV钢在温度不低于-50 ℃时，已确定处于韧性上平台区域，表现出较低的脆性转变温度和使用温度，具有良好的防止脆性断裂的能力，完全能够满足容器用钢最低使用温度(-50 ℃)的要求，且有较大的富余量。

3 结论

(1)CrNiMoV钢在-70～25 ℃范围内，随温度降低，拉伸强度增加，延塑性变化不明显，低温Rm/Rp0.2值略高于常温，说明该CrNiMoV钢在温度高于-70 ℃时无低温冷脆倾向。

(2)该CrNiMoV钢塑性断裂转变温度FTP约在-50 ℃，材料韧脆转变比较缓慢，表现出良好的低温冲击韧性。

(3)该CrNiMoV钢在温度≥-70 ℃时，具有很高的断裂韧度值，数据仍分布在断裂韧度与温度关系曲线的上平台，表现出良好的低温韧性。

(4)该CrNiMoV钢具有良好的抗低温脆性破坏能力，完全能够满足使用环境对其最低使用温度的要求，且有很大的富余量。

(5)对该CrNiMoV钢低温韧性的研究，可全面评定材料的抗脆性断裂能力，有利于对该材料进行市场评定和扩大使用范围。