周 劍，韓富銀

（太原理工大學 材料科學與工程學院，山西太原 030024）

30Cr2Ni4MoV鋼由于具有優(yōu)良的綜合力學性能，是目前在大型機組中廣泛采用的低壓轉子用鋼，低壓轉子是火力發(fā)電汽輪機不可缺少的部件[1～4]，常在復雜多變的環(huán)境下工作，其服役條件苛刻，對力學性能有較高要求[5,6]。沖擊韌脆轉變溫度是作為抗沖擊金屬材料的重要性能指標之一，能夠真實的反映金屬材料在不同溫度下的抗沖擊能力，為安全生產(chǎn)做出評估。夏比擺沖擊試驗是國內(nèi)最普遍的測定金屬力學性能的試驗方法。沖擊值是一個取決于材料強度和韌性的力學性能指標，它反映了處于統(tǒng)一熱加工狀態(tài)的同類材料在沖擊載荷下的韌性好壞，沖擊值對材料內(nèi)部組織的變化十分敏感，而且試驗又很簡便，在生產(chǎn)、科研上得到了廣泛應用[7]。若金屬的沖擊韌性高，則能保證其在機器結構中的優(yōu)良性能[8]。低于某一溫度Tt（溫度Tt稱為材料的韌脆轉變溫度，或稱冷脆轉變溫度）時，材料將轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，其沖擊值明顯下降，這種現(xiàn)象稱為韌脆，故研究產(chǎn)生韌脆的物理本質(zhì)及影響韌脆的因素具有重大現(xiàn)實意義，因此韌脆轉變溫度作為衡量金屬材料低溫特性的主要性能參數(shù)之一能夠真實反映出材料在不同溫度下的斷裂情況，從而可對該火力發(fā)電的汽輪機轉子在復雜工作環(huán)境下的服役能力和事故風險做出預先評估。夏比沖擊試樣的斷口表面常用剪切斷面率評定，剪切斷面率越高，材料韌性越好，大多數(shù)夏比沖擊試樣的端口形貌為剪切和解理斷裂的混合態(tài)[9]。因此，筆者按照GB/T 229-2007中附錄C和附錄D的要求，采用沖擊試樣斷口形貌剪切斷面率達到50%所對應的溫度作為30Cr2Ni4MoV的韌脆轉變溫度。

1 試驗方法

1.1 試驗原理

韌脆轉變是鋼鐵材料中的一個重要現(xiàn)象，影響因數(shù)非常復雜，長期以來進行過大量研究。任何一種金屬材料都具有兩個強度指標，即屈服強度σs和斷裂強度σf，兩者都隨著溫度上升而下降。σs隨溫度下降的速率比σf的下降速率大，因而兩者的σ-T關系曲線交于某一溫度。當T>Tt時，σf>σs，即材料先發(fā)生屈服，后發(fā)生斷裂，這是韌性斷裂；當T

1.2 試驗材料和設備

試驗用材料為30Cr2Ni4MoV鋼，其成分為：0.26%C，1.73%Cr，3.65%Ni，0.42%Mo，0.10%V。其熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理。沿汽輪機低壓轉子主軸軸向方向按照GB/T2975的規(guī)定進行取樣，加工成55mm×10mm×10mm沖擊試樣，試樣表面粗糙度Ra優(yōu)于5μm。試驗設備采用納克NI500F擺錘沖擊試驗機(擺錘刀刃半徑為2mm)、納克DFAI-Ⅲ斷口圖像分析儀、CDW-80T沖擊試驗低溫儀、CSL-Y試樣缺口拉床。

1.3 試驗方法

本試驗采用-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃共6個溫度，每個溫度取3個試樣來做沖擊試驗，試驗結果取平均值。首先，把沖擊試樣在試樣缺口拉床上加工成V型缺口試樣，V型缺口呈45度夾角，其深度為2mm，底部曲率半徑為0.25mm。然后將沖擊試樣放在沖擊試驗低溫儀中冷卻到所需的試驗溫度，低溫冷卻介質(zhì)為無水乙醇。由于沖擊試樣從介質(zhì)中取出放到?jīng)_擊試驗機上有時間間隔，為保證試驗的原溫度，因此在設置溫度時會有1～2℃的過冷補償值，以確保試驗準確。將試樣放在低溫儀中保溫5分鐘以后進行沖擊試驗。用試樣夾取出試樣放在試驗機上進行試驗（試樣在低溫裝置中移出至打斷的時間不超過5s）,將沖擊試樣轉移到?jīng)_擊試驗機時，將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗機兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打擊試樣，測定試樣的沖擊功，并且進行記錄。試樣斷裂后的端口形貌用斷口圖像分析儀來進行測試，記錄測試數(shù)據(jù)。

2 試驗結果與分析

不同試驗溫度的沖擊值和剪切斷面率如表1所示。溫度—沖擊值曲線與溫度—剪切斷面率曲線如圖1、2所示。由圖1可看出沖擊值隨溫度的升高而升高，曲線呈平滑變化，沒出現(xiàn)急劇降低現(xiàn)象，無法判斷韌脆轉變溫度。由圖2可看出剪切斷面率隨溫度的升高而升高，曲線呈緩慢變化，根據(jù)前面規(guī)定，取剪切斷面率達到50%時的溫度為韌脆轉變溫度，如圖所示該試驗材料的韌脆轉變溫度為-45℃。由圖可知在-80℃時，試驗材料發(fā)生脆性斷裂，隨著溫度的升高試驗材料既存在脆性斷裂也存在韌性斷裂，在20℃時，試驗材料只發(fā)生韌性斷裂。從斷裂微觀機制來說，剪切斷面是由微孔聚集型斷裂形成，解離斷面是由解理斷裂形成的。無論是微孔聚集型斷裂，還是解理斷裂，其裂紋的形成均與位錯的運動和增殖有關。對于微孔聚集型斷裂來說，斷裂前因位錯不斷增殖和遠距離運動，材料產(chǎn)生顯著塑形變形，吸收了大量的變形功，宏觀上表現(xiàn)為材料的沖擊值高，剪切斷面率高，如20℃時，試驗材料只發(fā)生韌性斷裂，沖擊韌性為191J，剪切斷面率達到100%。而對于解理斷裂來說，是在正應力作用下，材料沿一定的解理面斷開，宏觀上表現(xiàn)為材料的沖擊值低，如-80℃時，沖擊韌性為最低34J，剪切斷面率為0%。從原子熱運動的觀點，我們可以想到：在韌脆轉變溫度以上，原子運動的熱能大，因而鄰近位錯源可借助熱運動能而開動所需的松弛時間短，所以當位錯塞積群前端聚集的彈性能尚未達成形成解理裂紋所需能量時，即解理紋不易形成，但在韌脆溫度以下，鄰近位錯源要取得足夠熱運動能而開動所需的松弛時間長（因為原子獲得足夠熱運動能的幾率減?。瑢a(chǎn)生所謂遲屈服現(xiàn)象，因此，塞積群前端所聚集的彈性能就能難以通過鄰近位錯運動而松弛，當聚集的彈性能足夠大時，就導致解理斷裂[12]。

表1 不同試驗溫度的測試結果

圖1 溫度—沖擊值曲線

圖2 溫度—剪切斷面率值曲線

3 結論

（1）影響材料韌脆轉變溫度的因素很多，評定方法也有多種。本文采用剪切斷面率達到50%這一評定方法測定了試驗材料30Cr2Ni4MoV鋼的韌脆轉變溫度為-45℃。

（2）試驗材料30Cr2Ni4MoV存在韌脆現(xiàn)象是由于溫度對位錯運動的影響所致，當溫度降到一定程度時，位錯運動變得困難，導致材料發(fā)生解理斷裂而形成。

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