周黎明，巨 佳，葉常暉，費(fèi)海良，葉 偉

工程中的金屬材料，除去粉末冶金法制成的特殊金屬制品外，幾乎所有的金屬制品都必須經(jīng)過(guò)金屬的熔煉和凝固過(guò)程。通過(guò)熔煉，得到要求成分的液態(tài)金屬，澆注在鑄錠中，凝固后獲得鑄錠或成型的鑄件，鑄錠再經(jīng)過(guò)冷熱加工變形從而制成各種型材或鍛件。熔煉的基本目的是制造出化學(xué)成分符合要求，并且熔體純潔度高的合金熔液，為鑄成各種形狀的鑄錠創(chuàng)造有利條件。無(wú)論是成型鑄件，還是鑄錠經(jīng)變形后得到的各種型材或鍛件，其性能都受到鑄件或鑄錠凝固組織的決定性影響，鑄錠的凝固組織也影響到其熱變形性能，不合理的鑄錠組織會(huì)引起熱變形中的開(kāi)裂,降低成材率。熱加工可改善鑄錠組織和性能，但鑄造中的宏觀缺陷（如宏觀偏析、非金屬夾雜、縮孔、裂紋等）仍將殘留于制品中，給制品性能帶來(lái)很大影響。

工程中材料的機(jī)構(gòu)破壞或失效都是由于強(qiáng)度不足引起的。隨著對(duì)設(shè)備或結(jié)構(gòu)性能要求的提高，其工況、載荷及環(huán)境條件越來(lái)越苛刻，涉及到的強(qiáng)度問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。材料強(qiáng)度是表征材料承載能力的力學(xué)性能指標(biāo)，通常與塑性、韌性是相互矛盾的，強(qiáng)度高則塑性、韌性低。零件如果存在塑性、韌性有余而強(qiáng)度不夠，則壽命不高，若適當(dāng)降低塑性、韌性而提高強(qiáng)度，則零件壽命大幅度提高。但也不能認(rèn)為強(qiáng)度越高越好，強(qiáng)度越高，零件的塑性、韌性越低，其疲勞壽命反而降低。因此合理的強(qiáng)韌性配合，是零件使用壽命長(zhǎng)短的關(guān)鍵。

我國(guó)是汽輪機(jī)強(qiáng)國(guó)，但我國(guó)生產(chǎn)的汽輪機(jī)關(guān)鍵配件與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距，現(xiàn)階段主要靠進(jìn)口關(guān)鍵配件材料來(lái)解決這一問(wèn)題。隨著我國(guó)汽輪機(jī)行業(yè)的發(fā)展，很有必要通過(guò)自主研發(fā)，打斷國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化。本文通過(guò)28CrMoNiV的微觀組織調(diào)控與沖擊韌性的研究，觀察鍛鋼的微觀組織來(lái)分析其沖擊性能及斷裂機(jī)理，為其在復(fù)雜溫度下的塑韌性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)支持，為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件的工藝設(shè)計(jì)與調(diào)整提出理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文的試驗(yàn)材料為工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用28CrNiMoV鋼。鍛鋼鋼錠經(jīng)切割加工后采用鍛件預(yù)備熱處理在臺(tái)式爐上進(jìn)行，采用正火+回火形式，調(diào)質(zhì)熱處理在井式爐內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)淬火+高溫回火的形式。

1.1 熱處理工藝

1.1.1 正火工藝

正火溫度一般為Ac3以上30℃～50℃，正火主要目的是細(xì)化組織。根據(jù)試驗(yàn)得最優(yōu)化工藝，溫度為900℃，保溫時(shí)間計(jì)算參照淬火工藝規(guī)程，正火后一般采用空冷。

1.1.2 淬火工藝

淬火溫度為Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷速的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。

因?yàn)?3CrNiMoV的奧氏體化溫度約為850℃，故淬火溫度在880℃～900℃之間。根據(jù)試驗(yàn)得最優(yōu)化工藝，淬火溫度為900℃。淬火液為水，淬火方式為單液淬火。

1.1.3 回火工藝

回火：將工件淬硬后，再加熱到Ac1點(diǎn)以下的某溫度并對(duì)工件進(jìn)行保溫，保溫后將工件冷卻到室溫的熱處理工藝。回火的目的：降低工件強(qiáng)度和強(qiáng)度，提高工件延性或韌性，消除內(nèi)應(yīng)力，提高組織穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)熱處理為調(diào)制處理，故選用高溫回火，空冷。

方案一熱處理成品樣熱處理工藝為：900℃正火2h空冷，900℃淬火2h水冷，650℃回火3.5h～4h空冷。方案二為優(yōu)化后的熱處理工藝：900℃正火60min空冷，900℃淬火50min水冷，620℃回火100min空冷。金相組織觀察采用方案二的熱處理流程。

1.2 組織觀察與性能

（1）組織觀察：試樣的微觀組織采用IE200M 型金相顯微鏡和JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察。

（2）性能測(cè)試：拉伸試驗(yàn)可以測(cè)定強(qiáng)度和塑性。本次試驗(yàn)主要測(cè)試材料抗拉強(qiáng)度（σb）、斷面收縮率（Ψ）和斷后伸長(zhǎng)率（δ）?？估瓘?qiáng)度為材料在斷裂前達(dá)到的最大應(yīng)力值，即材料的實(shí)際承載能力。斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率是材料的塑性指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)試樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行加工。對(duì)于常溫拉伸試樣，只對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行改變，原始直徑D0制成5.0mm，試樣標(biāo)距按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為直徑的5倍，即為25mm。而對(duì)于高溫拉伸試驗(yàn)，直徑為6.0mm，原始標(biāo)距為30mm。按GB229-76在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸速率約為2mm/s。緩慢均勻地加載，注意觀察縮頸現(xiàn)象。應(yīng)考慮到實(shí)際工況，本實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了高溫拉伸性能的測(cè)試，采用附帶的加熱系統(tǒng)，將溫度設(shè)定為500℃。

采用JBW-300H型儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。試驗(yàn)溫度從室溫到-60℃，共取5個(gè)溫度點(diǎn)。使用DWC-60沖擊實(shí)驗(yàn)低溫槽，調(diào)控試樣溫度。在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下，試樣要保持足夠時(shí)間進(jìn)行冷卻。由于試樣從冷卻介質(zhì)中取出到?jīng)_擊有時(shí)間間隔，為保證沖擊時(shí)試樣溫度在預(yù)定溫度內(nèi)，應(yīng)在5s中之內(nèi)打斷試樣，并通過(guò)將試樣過(guò)冷的方式，來(lái)補(bǔ)償試樣溫度損失。為減小各種原因帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差，在每個(gè)溫度點(diǎn)都選擇3支～4支試樣進(jìn)行沖擊，最后取平均值作為此溫度的沖擊功。

2 分析與討論

2.1 工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鍛鋼的微觀組織觀察與分析

2.1.1 工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鍛鋼的微觀組織觀察

本論文所采用的原材料為28CrNiMoV高強(qiáng)度耐熱鋼，鍛鋼的微觀組織為大量的羽毛狀束狀分布的貝氏體組織，此外，還有少量極細(xì)小的碳化物顆粒存在于基體相中。

從提高工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鍛鋼性能的角度出發(fā)，本論文對(duì)28CrNiMoV高強(qiáng)度耐熱鋼鍛造后的熱處理工序進(jìn)行了優(yōu)化?？梢悦黠@看出正火后鍛鋼的微觀組織主要為鐵素體，細(xì)小顆粒狀貝氏體碳化物在鐵素體內(nèi)部均勻分布，這說(shuō)明28CrNiMoV鍛鋼在正火后出現(xiàn)了明顯的偏析現(xiàn)象。淬火后試樣的微觀組織中可以觀察到較多的板條狀馬氏體組織，同時(shí)還觀察到少量殘余奧氏體。其中馬氏體板條形態(tài)正常，無(wú)明顯粗大板條。圖3.1e和3.1f為620℃回火100min后試樣的微觀組織?？梢詮膱D中明顯的看到淬火后產(chǎn)生的板條馬氏體幾乎全部消失，在鐵素體基體上有大量碳化物析出并呈均勻彌散分布。析出的大量細(xì)顆粒狀碳化物組織由其形貌判斷應(yīng)該為回火索氏體。

2.1.2 晶粒度評(píng)級(jí)

將方案一成品樣，經(jīng)過(guò)拋光和腐蝕晶界后，根據(jù)GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定法》，對(duì)于100倍下觀察到的金相照片，按照?qǐng)D中的標(biāo)尺進(jìn)行晶粒尺寸的計(jì)算，對(duì)照相應(yīng)的晶粒度標(biāo)準(zhǔn)表格，測(cè)定其晶粒度等級(jí)為7級(jí)，并且發(fā)現(xiàn)部分晶粒極其細(xì)小，這是由于23CrNiMoV鋼在熱處理時(shí)，晶界附近會(huì)產(chǎn)生細(xì)小碳化物，會(huì)阻礙晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)化，從而材料擁有更好的綜合性能。因此，本次實(shí)驗(yàn)所用的材料晶粒度等級(jí)完全符合要求，其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理性得到保證。

2.2 工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鍛鋼的力學(xué)性能測(cè)試與分析

2.2.1 力學(xué)性能測(cè)試與分析

拉伸樣為經(jīng)方案一熱處理后的成品樣。在室溫條件下，材料的抗拉強(qiáng)度在1100MPa以上，斷后伸長(zhǎng)率在10%以上，材料的拉伸性能好，不易在使用過(guò)程中發(fā)生拉伸斷裂。屈服強(qiáng)度是指材料對(duì)宏觀塑性變形的抗力，屈服變形是不均勻的，本試驗(yàn)用鋼屈服現(xiàn)象不明顯，用σ0.2表示。硬度值大致為35HRC，符合要求。

在實(shí)際工況中，制動(dòng)盤(pán)常在300℃以上的高溫環(huán)境下工作，高溫下原子的擴(kuò)散能力會(huì)增大，高溫強(qiáng)度和室溫強(qiáng)度會(huì)有所不同，因此，除了常溫拉伸性能以外，還需測(cè)試其高溫下的拉伸性能。對(duì)比室溫拉伸數(shù)據(jù)可知，溫度的升高，導(dǎo)致材料的抗拉強(qiáng)度明顯有所下降，斷后伸長(zhǎng)率變化不明顯，這是由于高溫下材料的變形機(jī)制增多，易發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)為強(qiáng)度降低，但是相對(duì)比于制動(dòng)盤(pán)力學(xué)性能要求（σb不小于205N/mm），材料的拉伸性能還是較好的，足以滿足力學(xué)性能要求，可以達(dá)標(biāo)。

2.2.2 拉伸斷口分析

斷口有明顯縮頸現(xiàn)象，分三個(gè)區(qū)域，中心區(qū)域?yàn)榈湫偷睦w維區(qū)，在此處易形成裂紋，裂紋會(huì)向周圍延伸。在纖維區(qū)外，粗糙的放射區(qū)，形狀似剪切花樣，這是因?yàn)槭艿捷^大的拉伸力而發(fā)生的剪切變形，在此處擴(kuò)展很迅速；圖中外圍顏色變灰、變暗，但比起放射區(qū)較為平滑但所占面積較小，此處為剪切唇，是拉伸試樣最后斷裂的地方。從圖中還能看出，放射區(qū)所占比例最大。放大纖維狀區(qū)域、放射花樣區(qū)域以及區(qū)別于這兩個(gè)區(qū)域的表面光滑的杯狀區(qū)域。杯底垂直主應(yīng)力，錐面與主應(yīng)力呈45°角，顏色灰暗色。該區(qū)域很明顯呈尺寸大小不等的斷裂韌窩，韌窩形態(tài)均勻，韌窩深度無(wú)明顯差別，表明是韌性斷口，試樣具有良好的塑性和韌性。發(fā)現(xiàn)放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端的輪廓線，并逆指向裂紋源。

隨著回火溫度的提高，纖維區(qū)和剪切唇所占比例增加，放射區(qū)比例減少，故塑性依次增加。纖維區(qū)出現(xiàn)韌窩形貌，屬于等軸韌窩，隨著回火溫度的提高，韌窩尺寸越大、深度越深，620℃和660℃出現(xiàn)大而深的韌窩，韌性較佳。放射區(qū)也出現(xiàn)韌窩形貌，但韌窩被拉長(zhǎng)，發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)了明顯的放射條紋。剪切唇區(qū)較為光滑，韌窩出現(xiàn)位相，沿著一定方向被拉長(zhǎng)。

2.2.3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定

本論文中所用的沖擊試樣為28CrNiMoV鍛鋼成品樣上切取的試樣，測(cè)試時(shí)，選取6個(gè)相同的試樣（9#、10#、11#、12#、13#和14#），分別在溫度為10℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃和-60℃測(cè)試其沖擊功。經(jīng)擬合后所獲得的沖擊功-溫度曲線。通常，在不同沖擊試驗(yàn)溫度下，沖擊吸收功會(huì)出現(xiàn)上下兩個(gè)平臺(tái)，但是本研究中，沖擊吸收功的上下平臺(tái)雖然不太明顯，但已經(jīng)有一定趨勢(shì)。通過(guò)沖擊功-溫度曲線，認(rèn)定28CrNiMoV鍛鋼成品樣的沖擊吸收功在室溫10℃以上為上平臺(tái)區(qū)域，-60℃以下為下平臺(tái)區(qū)域。同時(shí)，根據(jù)能量法推測(cè)該材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-30℃左右。另一方面，根據(jù)國(guó)家GB/T229-2007標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合所觀察到的斷口全貌，選取測(cè)定斷面率所需要的尺寸，計(jì)算獲得28CrNiMoV鍛鋼成品試樣的脆面斷面率。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn)，28CrNiMoV鍛鋼成品試樣脆性斷面率為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度約為-30℃左右，這與之前能量法所獲得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果相吻合，這也從另一方面驗(yàn)證這兩種方法的可靠性。

2.2.4 沖擊斷口微觀形貌分析

從28CrNiMoV鍛鋼成品試樣在0℃～-60℃的沖擊斷口形貌可以分析出，0℃時(shí)沖擊斷口形貌，該溫度靠近沖擊吸收功的上平臺(tái)，斷口形貌中纖維區(qū)比例大，韌窩的特征明顯，為明顯的韌性斷口。-60℃時(shí)沖擊斷口形貌，該溫度靠近沖擊吸收功的下平臺(tái)，斷口形貌基本為放射區(qū)，斷口灰暗，有結(jié)晶狀，河流狀花紋明顯，為典型的脆性斷口，與之前測(cè)試的沖擊吸收能量數(shù)據(jù)相符。

沖擊斷口形貌絕大部分為韌窩形態(tài)，靠近缺口部分的韌窩沒(méi)有明顯的方向排列，呈典型的等軸韌窩形態(tài)。在最后斷裂的一部分區(qū)域，韌窩呈明顯的方向性排列且韌窩深度有較為明顯的差別，屬于典型的撕裂韌窩形態(tài)。

28CrNiMoV鍛鋼成品試樣-10℃時(shí)沖擊斷口形貌可以明顯觀察到?jīng)_擊斷裂的裂紋源。該裂紋源有可能是在加工v型缺口時(shí)產(chǎn)生缺陷，在隨后的沖擊時(shí)測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，最后由缺陷發(fā)展為材料沖擊斷裂的裂紋源，導(dǎo)致沖擊斷裂。還可以發(fā)現(xiàn)有較多細(xì)小的韌窩，同時(shí)韌窩不僅多而且深，說(shuō)明材料的塑性良好。而從中可發(fā)現(xiàn)材料發(fā)生了二次裂紋擴(kuò)展，呈準(zhǔn)解理特征。

28CrNiMoV鍛鋼成品試樣-50℃時(shí)沖擊斷口全貌中可看出試樣的沖擊韌窩明顯變淺，河流狀花樣明顯。試樣沖擊斷口為放射區(qū)形貌，其放射區(qū)的比例相對(duì)之前斷口來(lái)說(shuō)偏大，呈明顯的脆性斷裂特性?？梢栽谝恍╉g窩中發(fā)現(xiàn)疑似夾雜物的存在，夾雜物會(huì)對(duì)材料韌性產(chǎn)生非常不利的影響，例如增加材料的沖擊脆性，提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度等。在實(shí)際汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛制成型到制成成品過(guò)程，包括熱處理以及后續(xù)的加工工藝均無(wú)法做到絕對(duì)的避免夾雜物的引入，因此，微量的夾雜物在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件材料中屬于正常的存在。對(duì)于沖擊斷口中少量的夾雜屬于正常，本研究對(duì)沖擊斷口中疑似夾雜的小部分區(qū)域進(jìn)行能譜分析，能譜分析結(jié)果表明，韌窩中存在一些球狀石墨，這可能是樣品脫碳導(dǎo)致的。除此之外，還含有極少量金屬氧化物夾雜，雜質(zhì)金屬元素主要為鈣（Ca）、鎂（Mg）、鉀（K）以及鋁（Al）。說(shuō)明鍛鋼中的夾雜物含量極少，主要以CaS、MgS以及Al2O3等形式存在，粒徑約為1μm左右。顆粒較小的夾雜物對(duì)樣品的沖擊吸收功影響微小，并不影響斷口形貌的觀察及分析。

28CrNiMoV鍛鋼成品試樣-60℃時(shí)沖擊斷口全貌中可以明顯觀察到試樣沖擊斷口的裂紋源。由沖擊斷口的全貌可以發(fā)現(xiàn)，試樣在-60℃斷口主要為放射區(qū)，斷口的顏色灰暗，有明顯的結(jié)晶狀、河流狀花紋，呈典型的脆性斷口。試樣沖擊斷口的纖維區(qū)，有少量很淺的韌窩出現(xiàn)，但主要呈脆性斷口特征。

對(duì)比不同溫度狀態(tài)下的斷口形貌圖片可知，隨著溫度的降低，放射區(qū)的比例升高，而沖擊斷口的其他兩個(gè)區(qū)域所占比例越來(lái)越小，“河流”花樣在斷口的微觀形貌中愈發(fā)明顯，最后斷裂區(qū)域因撕裂而產(chǎn)生撕裂韌窩，但韌窩也逐漸變淺。當(dāng)溫度低于-30℃時(shí)，上述趨勢(shì)愈加明顯。當(dāng)溫度為-60℃時(shí)，低倍斷口形貌幾乎全為脆性斷口形貌，根據(jù)試驗(yàn)處理結(jié)果，此時(shí)的剪切斷面率約為5%，可近似認(rèn)為材料屬于完全脆性狀態(tài)，這也就意味著隨著溫度的降低，材料的脆性逐漸增大。

3 結(jié)論

本文通過(guò)工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用28CrNiMoV鍛鋼的微觀組織調(diào)控和沖擊韌性的研究，并通過(guò)觀察鍛鋼的微觀組織來(lái)分析其沖擊性能及斷裂機(jī)理，主要得到以下結(jié)論：

（1）28CrNiMoV鍛鋼制動(dòng)盤(pán)試樣在高溫回火后的組織主要為回火索氏體組織，晶粒度測(cè)評(píng)為7級(jí)，滿足工業(yè)汽輪機(jī)行業(yè)對(duì)工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件材料的要求。

（2）經(jīng)韌脆轉(zhuǎn)變曲線及脆性斷面率綜合判定，工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用28CrNiMoV鍛鋼材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-30℃，即在實(shí)際使用工況中，能保證材料不會(huì)突然由韌轉(zhuǎn)脆，導(dǎo)致工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子失效而引起汽輪機(jī)故障。

（3）通過(guò)沖擊測(cè)試端口分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)斷口部位有較多細(xì)小的韌窩，同時(shí)韌窩不僅多而且深，說(shuō)明工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用28CrNiMoV鍛鋼材料的塑韌性良好。