朱曉林， 賈　欣， 王　瓊， 掌成明， 王　鯤

(江蘇省產品質量監督檢驗研究院， 江蘇 南京　210007)

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2.25Cr-1Mo鋼低溫沖擊性能和韌脆轉變溫度研究*

朱曉林， 賈欣， 王瓊， 掌成明， 王鯤

(江蘇省產品質量監督檢驗研究院， 江蘇 南京210007)

對2.25Cr-1Mo鋼進行了系列溫度的夏比V型缺口沖擊試驗，通過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變溫度。結果表明，該鋼管在高于-30 ℃溫度時呈韌性斷裂或韌脆性混合斷裂，低于-30℃呈解理脆性斷裂。其韌脆轉變溫度為-23.9℃。

2.25Cr-1Mo； 夏比沖擊； 韌脆轉變溫度

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P22/T22和國標牌號12Cr2MoG。該鋼種在控制C，P，S元素的基礎上加入了Cr，Mo等合金元素，大大提高了其綜合力學性能，且兼具良好的高溫熱強性和焊接性能。在核電、火電等高溫裝備和換熱系統中得到了廣泛的應用[1-3]。各機構對該鋼種的成分、組織、力學性能和焊接性能進行了系統深入的研究[4-8]。2.25Cr-1Mo是典型的熱強鋼，因此少有學者對其低溫韌性和韌脆轉變溫度進行研究。然而，2.25Cr-1Mo系鋼種具備優異的抗氫腐蝕性，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，因此進行2.25Cr-1Mo系鋼種的低溫韌性和韌脆轉變溫度研究具有積極意義。

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

1　實驗部分

1.1試驗設備

采用INSRON公司SI-1M擺錘沖擊試驗機進行夏比V型缺口沖擊試驗。采用奧林巴斯SZX16體式顯微鏡進行斷口低倍形貌觀察，采用ZEISS公司SIGMA場發射掃描電鏡觀察斷口高倍形貌。

1.2試驗方法

本次試驗樣品制備依據GB/T 2975-1998《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》，試樣盡可能靠近鋼管外表面。試驗依據標準GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》。壓縮機冷卻使用無水乙醇作為介質。試樣在低溫槽中保溫至少5 min.。每個溫度測試結果取3個試樣的算術平均值。

2　結果與分析

2.1夏比沖擊試驗

夏比沖擊是測定金屬材料沖擊韌性和缺口敏感性的試驗。本文依據GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對P22鋼管進行了夏比沖擊試驗。試樣為縱向(即試樣缺口垂直于鋼管縱向)，沖擊試樣為標準尺寸55 mm×10 mm×10 mm，V型缺口，采用2 mm的沖擊擺錘刃口。試驗記錄了試樣的沖擊吸收能量KV2和剪切斷面率，試驗結果如表1所示。試樣室溫沖擊吸收能量平均值為326 J，遠高于GB 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中對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型缺口沖擊試驗結果

試樣規格/mm方向試驗溫度/℃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，無解理脆性斷裂特征，整個斷口具有分明的纖維區(裂紋形成區)、放射區(裂紋擴展區)和剪切唇區(剪切斷裂區)3個區域，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℃沖擊斷口具備強烈的金屬光澤，為結晶狀斷口，表現出典型的解理特征，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場發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，反方面指向裂紋擴展區。斷口上有具備撕裂特征的不規則顯微孔洞(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(纖維區)，同樣表現為撕裂韌窩特征。圖2(b-2)和圖2(c-2)是-20℃和-25℃兩個沖擊試樣宏觀斷口中具備解理斷裂特征區域的高倍形貌，大部區域具有典型的解理臺階、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，呈現準解理斷裂特征。圖2(d)是-30℃溫度下沖擊試樣斷口微觀形貌，典型的解理臺階、河流花樣和扇形花樣，沒有明顯韌窩，呈解理脆性斷裂。

2.2韌脆轉變溫度

脆性轉變溫度是評價一個鋼種性能好壞的重要指標之一，直接影響著產品的有效使用溫度范圍和使用用途。轉變溫度過高，則有可能在應用甚至加工過程中發生脆性斷裂，造成事故。因此，準確地判定產品韌脆轉變溫度非常必要。本文采用系列溫度的夏比V型缺口沖擊試驗，通過測量不同溫度下沖擊斷口的剪切斷面率，結合沖擊吸收能量和斷口形貌判斷鋼管的韌脆轉變溫度。GB/T 229-2007標準中，對于韌脆轉變溫度有四種判據：沖擊吸收能量達到特定值；沖擊吸收能量達到上一平臺的某一比例；剪切斷面率達到某一百分數；側向膨脹值達到某一量。其中FATT50法因操作簡便、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%所對應的溫度作為材料的韌脆轉溫度。本次試驗即采用此方法檢測試樣的韌脆轉變溫度，從而對其低溫適用性做出評價，為實際應用提供依據。

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。在試驗數據充分的情況下，曲線有比較穩定的上平臺、下平臺和敏感的轉變區。在低溫下，鋼是脆性的，斷口纖維率很低，斷口以結晶狀解理斷口主導。在轉變溫度附近，剪切斷面率迅速增加，為(準)解理加韌窩的混合斷口。超過轉變溫度之后，鋼逐漸變成完全塑性的，出現上平臺，斷口基本是韌窩形態。研究發現，從曲線的物理意義和相關性分析，采用Boltzmann 函數可以較好地表征材料的韌脆轉變過程[9-10]。根據不同溫度下的夏比V型缺口試樣沖擊試驗結果，以剪切斷面率為縱坐標，以試驗溫度為橫坐標繪制曲線，進行Boltzmann 函數擬合，曲線如圖3所示。試驗結果的擬合數據表明，鋼管的韌脆轉變溫度為-23.9℃，這與沖擊吸收能量隨溫度下降趨勢相吻合。鋼管較低的韌脆轉變溫度得益于原材料于w(P)的控制(0.012%) 和較細的晶粒尺寸(7.5級)。

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　論

(1)本文試驗的2.25Cr-1Mo鋼管在溫度高于-30℃時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 函數擬合溫度-剪切斷面率曲線得出鋼管韌脆轉變溫度FATT50為-23.9℃。

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2015-11-28

朱曉林(1983—)，男，工程師

TG115.5+6