Q345R鋼韌脆轉變過渡區內臨界事件的觀察研究①

雒旭亮 李連春 董亞軍 馬元學 葉 海

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司)

Q345R鋼韌脆轉變過渡區內臨界事件的觀察研究①

雒旭亮 李連春 董亞軍 馬元學 葉 海

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司)

通過三點彎曲COD卸載試驗對Q345R鋼3種顯微組織在韌脆轉變過渡區內的臨界事件進行了研究：裂紋尖端首先是彈性張開，隨后逐漸鈍化，繼而新裂紋產生，然后鈍化，這個過程重復，直至最后斷裂；當卸載溫度為-70℃時，裂紋從碳化物起裂，此時臨界事件是第二相質點裂紋擴展入母體晶粒的控制；當卸載溫度為-90℃時，可明顯看到是從鐵素體晶粒邊界起裂，然后沿著碳化物的方向擴展，此時臨界事件是裂紋從鐵素體晶粒邊界起裂沿著碳化物擴展入母體鐵素體晶粒的控制。

Q345R鋼 卸載試驗 韌脆轉變 臨界事件

Q345R鋼具有良好的塑性、韌性、強度和焊接性能，廣泛作為壓力容器用鋼[1，2]。低溫工況下的脆性斷裂是壓力容器破壞的主要因素之一，其危害性較大，促使科研工作者對其脆性斷裂行為和機理展開深入研究。科研工作者在大量試驗基礎上發現，韌性值的大小和轉變與解理起裂的早晚有關，并提出最小距離及活性區等概念。研究人員在研究不同熱處理工藝和化學成分下控制韌脆轉變行為時發現，解理裂紋在不同類型夾雜、第二相或其他起裂源處起裂[3～6]。筆者通過對該鋼在低溫情況下的解理斷裂行為進行試驗、觀察及機理分析，希望能為Q345R鋼韌脆轉變機理的研究帶來參考。

1 試驗

試驗材料為Q345R壓力容器鋼板材，厚18mm，組織為鐵素體和碳化物組織，呈帶狀分布。試驗通過3種不同的熱處理規范對試樣毛坯進行熱處理，以獲得3種分布不同的顯微組織結構(圖1)，即在細小晶粒中彌散分布著細小碳化物的細晶細碳化物、在細小晶粒中分布著較大碳化物的細晶粗碳化物及在較大晶粒中分布著較大碳化物的粗晶粗碳化物。

圖1 3種顯微組織

卸載試驗分別在-130～-60℃下進行，加載速度2mm/min，在每個工藝的過渡區溫度范圍內進行卸載，每一個溫度下按載荷從小到大卸載多個試樣。試驗在AG-10T萬能拉力試驗機上進行，從自動記錄的載荷-位移曲線上測量載荷和位移。試驗以無水乙醇為冷卻介質，液氮作為制冷劑。結合載荷位移曲線和卸載金相照片綜合分析確定不同溫度下的臨界事件。

將自動記錄的載荷位移曲線按照以上放大比例通過在記錄紙上描取多點的辦法轉化為實際的載荷位移曲線，然后用origne軟件對數據進行處理，繪制成載荷位移曲線。最后結合卸載金相照片綜合分析，進而確定不同溫度下的臨界事件。

試樣制備如圖2所示。將卸載后得到的試樣按圖2a所示位置鋸下，再將鋸下的部分在線切割機上加工成6個厚度均為1mm的小片(圖2b)，再按圖2c的形式進行粘貼，接著進行磨樣、拋光、丙酮溶液清洗及腐蝕，腐蝕液含有3%的硝酸和97%的酒精，腐蝕過程中邊腐蝕邊進行振蕩，時間約1min，最后在掃描電鏡上觀察每個載荷下的裂 紋尖端及其附近區域的損傷形貌，可見裂紋尖端的輪廓變化和斷裂行為，并測量各個載荷下裂紋尖端的張開位移，從而找出裂紋擴展臨界情況。

圖2 卸載試樣制備

2 試驗結果及分析

隨著外載荷增長至高于臨界載荷時，發現小裂紋在預裂紋尖端起裂，然后鈍化并擴展，隨后再次鈍化，如此反復進行。

在COD系列卸載過程中，如圖3a，當卸載溫度為-70℃、外載荷為6.86kN時，裂尖前積累的塑性應變達不到小裂紋開裂的臨界塑性應變，此時裂尖還只是發生簡單的鈍化，但是在裂尖前端很靠近裂尖的地方卻發現了鈍化的孔洞，這是碳化物粒子引發的開裂，且由于此處的三向應力度不足進而使得小裂紋鈍化成孔洞；如圖3b，當卸載溫度為-90℃、卸載載荷為7.84kN時才會產生一些孔洞；如圖3c，當卸載溫度為-110℃、卸載載荷為7.58 kN時，會產生同樣的情況，出現一些孔洞。此現象表明碳化物粒子與鐵素體晶粒的晶界是裂紋擴展主要障礙，一旦裂紋穿越碳化物與鐵素體晶界，裂紋就會穿越整個試樣，進而發生解理斷裂。這就證明裂紋試樣解理斷裂臨界事件為第二相粒子尺寸的微裂紋擴展進入到鐵素體基體中。

圖3 不同溫度下起裂金相照片

原始疲勞裂紋長度L0與卸載后裂紋總長LP之差ΔL就是裂紋擴展的長度，ΔL是正值，說明在外力的作用下裂紋已經擴展了，從表1可以明顯看出隨著載荷的加大，裂紋擴展長度ΔL也加大。

表1 系列卸載COD試驗結果

3 COD系列卸載試驗金相觀察及討論

通過對不同工藝、不同溫度下的裂紋擴展情況進行對比，可以進一步說明裂紋在不同情況下的擴展程度，最后結合不同溫度、不同載荷下的卸載金相照片綜合分析，確定不同溫度下的臨界事件。

3.1 裂紋擴展情況討論

通過不同載荷下的金相照片，可以看出在卸載載荷由低到高的加載過程中，試樣裂紋尖端的形貌發生明顯變化。如圖4a，在6.5kN的小載荷加載情況下，裂尖可發現一些明顯的起裂孔洞；當載荷加大到8.0kN時(圖4b)，可以明顯看到裂紋尖端的孔洞被鈍化；當載荷加大到9.0kN時(圖4c)，裂紋起裂后再次被鈍化，繼而新裂紋產生，然后再次鈍化，整個過程重復進行，直至斷裂。當試樣斷裂時(圖4d)，觀察其斷口周圍的臨界區形貌，可見很多殘留的小裂紋。

圖4 裂紋擴展情況

3.2 -70℃的臨界事件討論

如圖5所示，當卸載溫度為-70℃時，明顯看出裂紋是從碳化物起裂的，也就是裂紋由碳化物粒子引發，而后擴展進入母體晶粒，此時臨界事件為第二相質點裂紋擴展進入母體晶粒。由此可知，此次臨界事件中碳化物起著決定性的作用。

圖5 -70℃產生碳化物裂紋

3.3 -90℃的臨界事件討論

如圖6所示，當卸載溫度為-90℃時，可明顯看出裂紋從鐵素體晶粒邊界起裂，然后沿著碳化物的方向擴展。此次臨界事件為裂紋從鐵素體晶粒邊界起裂沿著碳化物擴展進入母體鐵素體晶粒。進而可知，此次臨界事件的決定性因素為鐵素體。

圖6 -90℃產生鐵素體裂紋

4 結論

4.1 由于裂紋尖端存在著劇烈的應變集中，在變形過程中，裂紋尖端首先是彈性張開，隨后在塑性變形過程中逐漸鈍化，鈍化到一定程度后裂紋開裂。無載荷作用時，裂紋處于尖銳狀態；載荷很小時，只在裂紋前端觀察到少量變形晶粒，即出現小區域的塑性區，預制裂紋鈍化不能直接擴展；載荷增加時，裂紋前端塑性區內會出現起裂的微裂紋，但因為在一個最小距離內三向應力度不夠，從而造成裂紋鈍化后形成許多孔洞；當載荷繼續加大，塑性區內的微裂紋數量也隨之增多，直至其中最后一條微裂紋在各個方向快速擴展時，致使失穩斷裂。

4.2 當卸載溫度為-70℃時，可明顯看到裂紋是從碳化物起裂，進而擴展進入母體晶粒，此時臨界事件為第二相質點裂紋擴展進入母體晶粒；當卸載溫度為-90℃時，可明顯看到裂紋從鐵素體晶粒邊界起裂，繼而沿著碳化物方向擴展，此時臨界事件為裂紋從鐵素體晶粒邊界起裂沿著碳化物擴展進入母體鐵素體晶粒。

4.3 在未到臨界載荷(COD)之前，裂紋尖端只出現鈍化。由于三向應力度不足，形核的裂紋不能擴展只能鈍化，隨著載荷增加，裂紋形核區域和裂紋擴展區域之間的距離均增加，也就是說，在靠近裂紋尖端處低載荷是不能產生解理斷裂的，直到載荷進一步增加，裂紋形核區和裂紋擴展區出現重疊區域，即裂紋形核區域既滿足三向應力度和應力條件又能擴展，此時誘發最終的解理斷裂。

4.4 在同一溫度下，細碳化物組織比粗碳化物組織材料的韌脆轉變溫度低、斷裂韌性高。碳化物尺寸對韌脆轉變溫度和斷裂韌性值有顯著影響，而晶粒尺寸對韌脆轉變溫度和斷裂韌性值影響不大。

[1] 肖紀美. 金屬的韌性與韌化[M].上海:上海科學技術出版社, 1982.

[2] 羅福午，江見鯨，陳希哲，等.建筑結構的事故分析及其防治[M].北京：清華大學出版社, 1996.

[3] Chen J H，Wang G Z. Further Study of Mechanism of Cleavage Fracture at Low Temperature [J]. Metallurgical Transactions A,1992, 23(2):509～517.

[4] Barenblatt G I. The Mathematical Theory of Equilibrium Cracks in Brittle Fracture[J]. Advances in Applied Mechanics,1962 ,7:55～129.

[5] 周惠久，黃明志. 金屬材料強度學[M].北京：科學出版社，1989.

[6] 黃克智，肖紀美. 材料的損傷斷裂機理和宏微觀力學理論[M].北京：清華大學出版社，1999.

2016-06-13，

2016-07-25)

(Continued from Page 21)

the copper sulfate-sulfuric acid test method and having the specimens measured with DL-EPR were implemented to show that, when both prestrain degree and sensitization temperature time keeps consistent, the specimen’s intergranular corrosion susceptibility which receives prestrain before sensitization treatment is lower than that adopts sensitization treatment before prestrain.

Keywords304 stainless steel, pre-strain, sensitization treatment, intergranular corrosion, DL-EPR

ObservationandStudyofCriticalEventsinDuctile-to-BrittleTransitionZoneofQ345RSteels

LUO Xu-liang, LI Lian-chun, DONG Ya-jun,MA Yuan-xue,YE Hai

(LanzhouLSEnergyEquipmentEngineeringInstituteCo.,Ltd.)

Through 3-point bending COD-unloading test, the critical events of Q345R steel’s three microstructure zone in ductile-to-brittle transition zone were studied. Through unloading experiments and electron microscope observation, the following conclusions were concluded:the crack tip is elastically opened firstly, then gradually passivated and new cracks appear and then they become passivated, this process repeats till it becomes ruptured.When the unloading temperature is at 70℃ below zero, the cracks initiate from the carbide, and at this moment, the critical events are the control of the second phase particle cracks which expanding into the parent grain. When unloading temperature is at 90℃ below zero, the cracks would initiate from the ferrite grain boundary, and then they extend along the direction of carbide, and the critical events are the control of the cracks which would initiate from the ferrite grain boundary and then extend into parent ferrite grain along the carbide.

Q345 steel,unloading experiment,ductile-to-brittle transition, critical events

雒旭亮(1990-)，助理工程師，從事材料的焊接工藝性研究和化工裝備的研發，lsnyhg01@163.com。

TQ050.4+1

A

0254-6094(2017)01-0022-04