40CrNiMo鋼低溫沖擊性能研究與應用

那艷會，周吉貞，王大宏，王全振

1.通用技術大連機床有限責任公司 遼寧大連 1160002.大連長豐實業總公司 遼寧大連 116003

3.沈陽鼓風機集團股份有限公司 遼寧沈陽 110869

1 序言

低溫的定義，按照GB 150—2011《壓力容器》的規定，低于－20℃界定為低溫[1]。目前，國內機床行業高強度緊固件類零部件材料主要選40CrNiMo鋼，在常溫條件下應用情況良好，然而在低溫環境下該材料使用性能應用未見相關報道。本文探究不同溫度對40CrNiMo鋼低溫沖擊性能的影響，確保機器零部件在低溫環境中服役的安全性和穩定性。

2 試驗材料及方法

試驗材料為4 0 C r N i M o鋼，試棒尺寸為φ100mm×100mm，其化學成分見表1。該材料是經電爐冶煉、鍛造成形，并經超聲波檢測為合格。采用夏比V型檢測試樣，執行GB/T 229—2007《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗方法》規定，在JWB-300型沖擊試驗機上進行（結果取3個試驗的平均值），試驗用的低溫裝置是液氮和酒精混合液作為恒溫介質在低溫鍋中保溫。該材料首先進行熱處理，870℃正火（空冷）+860℃淬火（油冷）+580℃回火（空冷），然后進行常溫（20℃）拉伸性能檢測，結果見表2。

表1 試驗材料的化學成分（質量分數） （%）

表2 拉伸性能測試結果

3 試驗結果及分析

3.1 正火處理后晶粒度評定

40CrNiMo鋼經870℃正火處理后，進行晶粒度檢測。按照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》通過對比法對試樣進行晶粒度評定，晶粒度等級為5級，如圖1所示。

圖1 1#試樣40CrNiMo鋼正火處理后奧氏體晶粒

3.2 調質處理后金相組織分析

40CrNiMo鋼經調質處理后進行金相顯微鏡觀察，金相顯微組織如圖2所示。由圖2可以看出，40CrNiMo鋼調質處理后室溫金相組織為回火索氏體+彌散分布的細小殘留奧氏體，組織分布更加彌散，晶粒更細小，組織更致密[2]。

圖2 1#試樣40CrNiMo鋼調質處理后顯微組織

3.3 低溫沖擊性能結果分析

首先選擇常溫下（2 0℃）進行沖擊試驗，以保證材料在常溫下正常使用，然后再分別進行－20℃、－30℃、－40℃、－60℃、－70℃共5個低溫溫度對材料進行沖擊試驗。試樣規格為10mm×10mm×55mm，V型缺口標準沖擊試樣。具體低溫沖擊試驗數據見表3。從試驗數據總體來看還是比較有規律的，試驗溫度越低，沖擊吸收能量也越低。如果按照沖擊試驗能量法評定以27J判定是否合格，那么－60℃以上低溫沖擊試驗都是合格的。從而說明40CrNiMo鋼最低可以使用到－60℃，為零部件材料選擇提供了理論依據。

表3 低溫沖擊試驗數據 （J）

3.4 低溫沖擊斷口形貌分析

對各溫度下的沖擊斷口形貌進行掃描電鏡（SEM）觀察，圖3為不同溫度下的斷口形貌。從圖3中可以看出，在－20～－40℃內能看到有明顯的網狀組織，斷口處有很多大且深的韌窩，為韌性斷裂[3]；而在－60～－70℃內為少量韌窩+準解理斷裂，在－60℃及以下溫度，網狀組織越來越少，出現了河流花樣特征，為解理斷裂[4]。結合表3低溫沖擊試驗數據可以得出，40CrNiMo鋼韌脆轉變溫度約為－60℃。

圖3 各溫度下40CrNiMo鋼的SEM沖擊斷口形貌（3000×）

4 結束語

1）隨著沖擊溫度的降低，40CrNiMo鋼的沖擊吸收能量總體趨勢是下降的，在≤－50℃時下降速度較快。

2）掃描電鏡觀察斷口形貌分析得出－60～－40℃之間材料發生較為明顯的脆性斷裂，因此40CrNiMo鋼韌脆轉變溫度約為－60℃。

3）通過40CrNiMo鋼低溫沖擊吸收能量數值可以得出，如果以27J為合格值，那么在－60℃以上時低溫沖擊試驗都是合格的，從而證明40CrNiMo鋼最低使用溫度可以達到－60℃。