高强钢冷钢断裂韧性应力的韧脆转变温度特性

高强钢冷钢断裂韧性应力的韧脆转变温度特性

1静载设备在低温脆断试验中的应用材料的合理使用与了解和评估材料性能的参量密切相关。由于金属材料在低温下有韧脆转变问题,为防止低温下压力容器等设备发生脆性断裂,在工程中常根据压力容器用钢冲击韧性随温度降低而发生韧脆转变的曲线特性,评价其抗低温脆断的能力,并相应规定压力容器用钢的最低使用温度。冲击韧性最初是为防止炮管炸裂而提出的材料性能参量,后推广应用于防止压力容器等受静载设备在低温下发生的脆断。由于冲击试验是一种动态试验,在试验时试样的应变速率很高,冲击试验中试样所吸收的功一般由弹性变形功、塑性变形功与撕裂功三部分组成,总功的大小不能真正反映材料的韧脆性质,只是其中的塑性变形功,尤其是裂纹扩展功才能显示材料的韧脆性质。因此,用冲击韧性评定低温静载设备材料的最低使用温度,近来也遇到一些问题。例如文献曾报道,-70°C大口径管道使用的A350LF2碳锰钢锻造法兰,标准要求材料在-45.6°C的夏比冲击功(AkV)应≥20J,但实际上有40%法兰材料达不到此要求,个别法兰材料在-40°C的AkV仅为3J,在进行断裂韧性测试与缺陷评定时,发现这些AkV仅为3J的A350LF2钢在-70°C仍有高的断裂韧性,足以防止法兰的低温脆断。因此,笔者提出了应降低对A350LF2钢的低温AkV值的要求。当前,断裂力学理论已广泛用于机械工程材料,但对材料断裂韧性的韧脆转变温度特性的研究很少报道,而有关钢的弹塑性断裂韧性Ji的韧脆转变温度特性的报道更少。因此,我们测试了我国压力容器与管道常用的16MnR钢的弹塑性断裂参量Ji随温度降低的韧脆转变规律,并与其AkV值随温度降低的韧脆转变规律相比较,分析其相互的差异,以便在低温下能更合理的使用材料。2残余应力在板板的消除作用选用两种分别为36mm和40mm厚的16MnR钢板,前者为热轧态,后者为热轧态再经过620°C加热2.5h,以模拟焊后进行消除残余应力处理状态。钢板的化学成分见表1,钢板的室温拉伸性能见表2。3钢板与钢夏比冲击功冲击试验按照GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行,试样尺寸为10mm×10mm×55mm的2mmV型缺口标准试样。试样由钢板的横向切取,试样的冷却介质为干冰酒精溶液,试验温度(°C)为60,20,10,0,-10,-20,-30,-40,-50,-60和-70,试验结果见表3。两种板厚16MnR钢夏比冲击功AkV值随温度变化的曲线见图1。表4列出由图1得到以AkV=20J为韧脆转变温度特征值的vTr20与观察冲击试样断口以50%纤维断口为韧脆转变温度特征值的FATT。4试验测试和结果由于以J积分为断裂参量的弹塑性断裂力学有完善的理论基础,故在本次试验中测试了16MnR钢的J积分断裂韧性,试验按照GB2038-1991《金属延性断裂韧度JIC试验方法》进行,试验采用三点弯曲试样。考虑到低温的影响可能数据较分散,因此采用多试样法测JR-Δa阻力曲线,取起裂值Ji作为低温断裂韧性参量,如试样脆性断裂,不能测得Ji,则取临界值JIC作为低温断裂韧性参量。试验在INSTRON-803220t伺服试验机上进行,采用液氮酒精溶液作冷却介质。为了提高测量试样裂纹扩展量Δa的精度,在工具显微镜上采用九点测量法得出Δa。试验温度(°C)分别为15,-20,-30,-40,-50,-60和-70,试验结果见表5。两种厚度的16MnR钢板的Ji断裂韧性温度变化的曲线分别见图2和图3,并在图中分别列入AkV随温度变化的曲线以作比较。目前还没有通用的断裂韧性Ji的韧脆转变温度定义,但由图中曲线可见,厚度为36mm的16MnR钢板的断裂韧性Ji的韧脆转变温度低于-40°C,厚度为40mm的16MnR钢板的断裂韧性Ji的韧脆转变温度低于-50°C。5钢板的断口形貌为了解断裂韧性Ji随温度下降的变化与试样断口形貌的关系,用扫描电镜观察了厚度为36mm的16MnR钢在不同温度下的三点弯曲试样的断口形貌,试样在15°C,-30°C,-40°C与-50°C的断口形貌见图4～7。由图4及图5可见,厚度为36mm的16MnR钢板在15°C及-30°C时均呈韧窝占主导的塑性断口形貌,在-40°C时有部分准解理河流花样断口(图6),表明已有脆性断口形貌出现,在-50°C基本上是脆性断口(图7)。以上试样断口特征与断裂韧性Ji值的变化有很好的相关性,在-50°C时,试样已脆断,无法测得Ji值,只能测取JIC值,其断口也呈脆性断口。厚度为40mm的16MnR钢板三点弯曲试样断口特征也同样与断裂韧性Ji值的变化有很好的相关性。6阀塔钢的韧脆转变温度(1)由试验可知,16MnR钢的断裂韧性Ji在达到夏比冲击韧性AkV的韧脆转变特征温度vTr20与FATT时并不下降,甚至有一定的升高趋势。断裂韧性Ji的韧脆转变温度明显低于夏比冲击韧性AkV的韧脆转变温度。(2)由16MnR钢的Ji韧脆转变温度曲线可知,Ji随温度的降低,其韧脆转变呈陡降的特征。而由16MnR钢的AkV韧脆转变温度曲线可知,AkV随温度的降低,其韧脆转变较为平缓,不如Ji的韧脆转变明显。(3)由于J积分断裂参量有完善的弹塑性断裂力学理论