沖擊缺口類型對34CrNi1Mo鋼韌脆轉變溫度的影響

王 勇

(漢正檢測技術有限公司， 廣漢 618300)

對金屬材料而言，當試驗溫度低于某一溫度時，體心立方結構及部分密排六方金屬及其合金材料的斷裂方式由韌性斷裂轉變為脆性斷裂，即出現低溫脆性現象，轉變溫度稱為韌脆轉變溫度，也稱冷脆轉變溫度。

目前常用的韌脆轉變溫度的檢測方法主要有4種：①沖擊吸收能量達到某一特定值，例如KV8=27 J；②沖擊吸收能量達到上平臺某一百分數，例如50%；③剪切斷面率達到某一百分數,例如50%；④側膨脹值達到某一個量，例如0.9 mm。

在韌脆轉變溫度的實際檢測過程中，由于現行適用標準GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》中未對沖擊試樣缺口類型作出明確的要求，導致實際檢測過程中，檢測結果差異很大。通過查詢沖擊試驗方法標準GB/T 229-1994附錄B發現，韌脆轉變溫度的檢測一般使用標準夏比V形缺口沖擊試樣測定。但該標準已作廢，被現行版GB/T 229-2007所代替。鑒于此，筆者通過在34CrNi1Mo鋼上取樣，分別進行V形缺口及U形缺口的韌脆轉變溫度檢測，并按照行業標準JB/T 8706-2014《50 MW～200 MW汽輪發電機無中心孔 轉子鍛件 技術條件》要求以FATT50表示韌脆轉變溫度，來探索不同缺口類型對韌脆轉變溫度的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為34CrNi1Mo合金鋼，經調質處理的圓環鍛件。為使熱處理對試樣的影響最小，各試樣取樣位置保持一致，料坯及取樣位置如圖1所示。共取30件毛坯料，按照JB/T 8706-2014要求進行徑向取樣，按照GB/T 229-2007要求，加工成10 mm×10 mm×55 mm的標準沖擊試樣。試驗材料34CrNi1Mo鋼的化學成分見表1。

圖1 料坯及取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of blank and sampling locations

表1 34CrNi1Mo鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the 34CrNi1Mo steel (mass fraction) %

1.2 試驗方法

試驗方法按照GB/T 229-2007要求，將30個試樣分成A、B兩組，每組15個。其中A組試樣按V形缺口，即KV2進行試驗；B組試樣按U形缺口，即KU2進行試驗。試驗在-60～20 ℃之間進行，每20 ℃為一間隔，共5個溫度，每個溫度進行3次V形缺口沖擊試驗和3次U形缺口沖擊試驗。試樣冷卻介質為酒精，試樣在冷卻介質中保溫10 min后開始試驗。整個試驗過程均使用同一沖擊試驗機，并配備R2的刀刃和300 J的擺錘。試驗后，用10×放大鏡觀察試樣斷口。按照GB/T 229-2007附錄C測量斷口剪切斷面率，以剪切斷面率為50%時所對應的溫度作為該材料的韌脆轉變溫度，即FATT50。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

V形缺口沖擊試樣在不同試驗溫度下的沖擊吸收能量及剪切斷面率見表2。U形缺口沖擊試樣在不同試驗溫度下的沖擊吸收能量及剪切斷面率見表3。

表2 V形缺口試樣在不同試驗溫度下的沖擊試驗結果Tab.2 Impact test results of V-notch specimens at different test temperatures

表3 U形缺口試樣在不同試驗溫度下的沖擊試驗結果Tab.3 Impact test results of U-notch specimens at different test temperatures

2.2 分析與討論

不同試驗溫度下V形、U形缺口試樣的沖擊吸收能量與剪切斷面率結果見表4。由表4可知，無論是V形缺口還是U形缺口，沖擊吸收能量及剪切斷面率均隨著試驗溫度的降低而下降。主要是因為材料存在低溫脆性，即隨著溫度的降低，材料的斷裂機制由韌性斷裂轉變為脆性斷裂，表現為沖擊吸收能量明顯下降，斷口形貌由纖維狀斷口轉變為結晶狀斷口。

表4 不同試驗溫度下的沖擊試驗結果比較Tab.4 Comparison of impact test results under different test temperatures

利用Origin軟件對不同缺口類型的沖擊吸收能量進行擬合，如圖2所示。由圖2可知，同一溫度下，V形缺口沖擊吸收能量小于U形缺口沖擊吸收能量。沖擊試驗過程，材料主要發生彈性變形、塑性變形、斷裂等3個過程。由于V形缺口的根部曲率半徑小，更容易造成應力集中，導致V形缺口的沖擊吸收能量較U形缺口的小。

圖2 不同缺口類型試樣沖擊吸收能量的擬合曲線Fig.2 Fitting curves of impact absorbed energy for different notched specimens

利用Origin軟件對不同缺口類型的剪切斷面率進行擬合，如圖3所示。由圖3可知，剪切斷面率隨溫度的變化趨勢與沖擊吸收能量隨溫度的變化趨勢一致。U形缺口試樣測得的韌脆轉變溫度FATT50低于V形缺口試樣測得的。

圖3 不同缺口類型試樣剪切斷面率的擬合曲線Fig.3 Fitting curves of shear section ratio for different notched specimens

3 結論

由于V形缺口的根部曲率半徑小，更容易造成應力集中，因此U形缺口沖擊試樣測得的韌脆轉變溫度低于V形缺口沖擊試樣測得的韌脆轉變溫度。建議GB/T 229-2007標準明確在檢測韌脆轉變溫度時的沖擊缺口類型。