楊景標，陳學東，范志超，艾志斌，鄭 炯

(1.合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽 合肥 230031;2.廣東省特種設備檢測研究院，廣東廣州 510655)

0 引言

金屬材料過火后，其金相組織和力學性能往往發(fā)生變化［1－4］。隨著材料組織的改變，材料的斷裂性質可能從韌性斷裂向脆性斷裂轉變。工程應用中需要對?；反鎯毫θ萜靼l(fā)生火災后是否可以繼續(xù)投入運行進行安全評定，而沖擊性能和斷裂韌度的變化是過火后存儲壓力容器失效模式發(fā)生變化的重要因素之一［5－8］。

對于壓力容器用調質高強度鋼板的沖擊和斷裂韌度試驗，已有的研究主要是考察在不同沖擊溫度下其吸收能量的變化規(guī)律和母材的斷裂韌度［9－13］。07MnNiMoDR 為典型的大型存儲壓力容器用調質高強度鋼，關于該材料經過不同熱處理后沖擊性能和斷裂韌度變化規(guī)律的研究鮮見報道。研究07MnNiMoDR鋼受火后的沖擊和斷裂性能變化規(guī)律，可以對過火后大型存儲壓力容器的失效判別和合于使用評價提供重要依據。

本研究對經過不同溫度、保溫時間和冷卻速率后的07MnNiMoDR鋼進行沖擊和斷裂韌度試驗，獲得其經歷不同受火條件后沖擊性能和斷裂韌度的變化規(guī)律，進而獲得該鋼材受火后沖擊吸收能量和斷裂韌度急劇下降時的受火溫度臨界值和沖擊吸收能量滿足GB 19189—2011《壓力容器用調質高強度鋼板》［14］要求時的受火條件。為了便于分析相關沖擊性能和斷裂韌度的變化規(guī)律，文中僅針對母材而未考慮焊接接頭。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用07MnNiMoDR材料取自國產38 mm厚軋制鋼板，為調質狀態(tài)，其化學成分見文獻［1－2］。

沖擊試樣根據GB/T 2975—1998《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》［15］橫向取樣，先制成12 mm×12 mm×56 mm的沖擊樣坯進行熱模擬處理。

斷裂韌度試樣的取樣方向為Y－X［16］，先制成22 mm×32 mm×150 mm的樣坯進行熱處理。

1.2 熱處理方法

受火過程采用高溫箱式電阻爐進行熱模擬，受火過程的熱模擬處理工藝同文獻［1－2］。室溫下將樣坯置于爐內，然后升溫到預先設定溫度，保溫到預定的時間，然后將樣坯取出冷卻至室溫。

斷裂韌度樣坯和沖擊樣坯的受熱溫度均為450，550，650，750，800，850 ℃。沖擊樣坯在各熱暴露溫度下的保溫時間分別為2，4，8，12 h。考慮到實際應用時大型儲罐發(fā)生火災后的冷卻條件，冷卻方式采用水冷和空冷兩種。根據溫度、保溫時間和冷卻方式的組合，共有48個熱處理工況，所對應的沖擊試樣序號如表1所示。已有的研究結果表明［1－2］:在上述的保溫時間和溫度低于650℃時冷卻方式對力學性能影響不大。因此對于斷裂韌度樣坯，保溫時間設定為2 h，等于或低于650℃時僅考慮水冷，其他溫度時則采用水冷和空冷。

表1 不同熱處理工況對應的沖擊試樣序號

1.3 沖擊試驗

將熱處理后的樣坯加工成標準尺寸10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，按照 GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》［17］，在ZBC－2452型擺錘金屬沖擊試驗機上進行沖擊試驗。根據GB 19189—2011《壓力容器用調質高強度鋼板》［14］的要求，本研究中沖擊試驗溫度為－50℃。每一熱處理工況下制備了3個沖擊試樣。為了便于比較分析，對未經熱模擬處理的母材進行了3個試樣的沖擊試驗。

1.4 斷裂韌度JQ試驗

將熱模擬處理后的樣坯加工成如圖1所示的三點彎曲試樣，裂紋預制和斷裂韌度試驗均在MTS 809上進行。為了便于比較分析，對未經過熱模擬處理的母材也進行了斷裂韌度試驗。

圖1 三點彎曲試樣尺寸

預制裂紋時，嚴格按照 GB/T 21143—2007《金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》［16］的要求控制最大疲勞預制裂紋力，且每個試樣都使用引伸計，保證每個試樣的預制疲勞裂紋長度為2 mm。

每一熱處理工況下至少進行6個試樣的斷裂韌度試驗，在MTS 809上對同一組的第1個試樣進行加載，當載荷達到最大值并開始下降時停止加載，試驗機自動記錄載荷和加載位移，確定最大載荷和最大加載位移;在2 mm和最大加載所對應位移之間進行等分，確定同一組其余試樣所對應的最大加載位移，根據每一試樣的載荷曲線獲得最大載荷。

將完成加載試驗后的試樣在箱式電阻爐中進行發(fā)藍熱處理，300℃下保溫30 min。

把發(fā)藍熱處理后的試樣在MTS 809上進行二次疲勞，二次疲勞裂紋長度為 1 mm。在SHT 4505型試驗機上將二次疲勞后的試樣壓斷，然后對每個試樣斷口在JGX－1型顯微鏡上按九點平均值方法進行裂紋擴展測量。

2 試驗結果及分析

每一熱處理工況下3個試樣的沖擊性能試驗結果如表2所示。每一工況下的夏比沖擊吸收能量按3個試樣的算術平均值計算。

表2 沖擊性能試驗結果

(續(xù))

試驗得到了不同熱模擬處理工況下的斷裂阻力曲線，原母材的斷裂阻力曲線見圖2，全部熱模擬處理工況下的阻力曲線方程和JQ值見表3。

圖2 母材斷裂阻力曲線

從試驗結果來看，07MnNiMoDR的斷裂韌度值較高，全部熱模擬處理工況下的最大裂紋擴展量Δa處于0.62 ～0.81 mm 的范圍，W－a0處于10.2～11.8 mm 范圍，最大裂紋擴展量 Δamax滿足0.5≤Δamax≤ 0.10(W－a0)的 要 求［16］。按 照GB/T 21143—2007的要求，JQ要同時滿足式(1):

表3 斷裂韌度試驗結果

從表3可看出，JQ的最大值262.3 kJ/m2，而式(1)中W－a0的值最小，根據式(1)進行計算:

40×262.3/(575+644)=8.61≤W－a0=11

即表3中所有的JQ符合有效性判據。

2.1 溫度對沖擊韌性的影響

不同保溫時間下沖擊吸收能量隨溫度的變化如圖3所示。可以看出，無論是空冷還是水冷，650℃以下時，沖擊吸收能量基本保持在223～318 J的范圍;當溫度達到750℃時，沖擊吸收能量急劇下降到最小值40 J左右，僅為未進行熱處理的原母材沖擊吸收能量的15%，不能滿足07MnNiMoDR材料標準中沖擊吸收能量不低于80 J的要求［14］。本研究得到的沖擊吸收能量達到最小值對應的溫度為750℃，與周楊飛等［8］的研究結果相同。

圖3 不同保溫時間下沖擊吸收能量隨溫度的變化

從表2可以看出，750℃(對應表2中25～32試樣序號)時的纖維斷面率為0，即為脆性斷口，說明經過750℃后材料的沖擊韌性最差。當溫度高于750℃時，隨著溫度的升高，除了圖3(b)中保溫2 h和4 h的工況，沖擊吸收能量均表現為增大趨勢?？绽鋾r(如圖3(a)所示)，當溫度從750℃升高到850℃時，在保溫4 h條件下，吸收能量從最小值34 J增加到93 J;而在保溫12 h條件下，吸收能量則從最小值37 J增大到228 J。水冷時(如圖3(b)所示)，當溫度從750℃升高到850℃時，在保溫12 h條件下，吸收能量則從最小值37 J增大到122 J;在保溫4 h條件下，吸收能量從750℃的42 J升高到800℃的67 J，然后又下降到850℃的37 J。

周楊飛等［8］的研究結果表明，在保溫1 h的條件下，SPV490Q沖擊韌性出現明顯下降的溫度為700℃，對應的沖擊韌性為293 J/cm2，750℃時沖擊韌性達到最小值54 J/cm2;當溫度高于750℃時，沖擊韌性隨溫度的升高先增大，在850℃時達到新的最大值200 J/cm2;而當溫度達到900℃時，沖擊韌性又下降到90 J/cm2左右。如圖3(b)所示，在保溫2 h和4 h條件下，水冷時的沖擊吸收能量隨溫度的變化規(guī)律與周楊飛等人的研究結果相似［8］。

2.2 溫度對斷裂韌度的影響

兩種冷卻方式下斷裂韌度隨溫度的變化如圖4所示。

圖4 兩種冷卻方式下斷裂韌度隨溫度的變化

可以看出，斷裂韌度急劇下降時對應的溫度臨界值為650℃，750℃時達到最小值113～124 kJ/m2范圍，僅為原母材的46.9%。當溫度高于750℃時，空冷和水冷下的斷裂韌度均隨溫度升高而不斷增大，850 ℃時分別達到212.7 和193.5 kJ/m2。

2.3 保溫時間對沖擊韌性的影響

圖5示出不同熱暴露溫度下07MnNiMoDR的沖擊吸收能量隨保溫時間的變化曲線?？梢钥闯?，當溫度低于800℃時，不同溫度下保溫時間對沖擊吸收能量的影響不明顯;當溫度≤650℃時，沖擊吸收能量基本保持在223～318 J的范圍;當溫度達到750℃以上時，沖擊吸收能量急劇下降;800℃時的沖擊吸收能量保持在37～85 J的范圍。周楊飛等［8］僅考察了750℃下保溫1，2，3 h時SPV490Q沖擊韌性的變化，其結果表明750℃下保溫時間對SPV490Q沖擊韌性的影響很小。本研究的結果表明，當溫度低于800℃時，不同溫度下保溫時間對沖擊吸收能量的影響不明顯，與周楊飛等［8］的研究結果相似。

圖5 不同溫度下沖擊吸收能量隨保溫時間的變化

空冷時(如圖5(a)所示)，750℃時的沖擊吸收能量為33～42 J，僅為原母材的14%;800℃時的沖擊吸收能量為37～59 J，僅為原母材的18%;而當熱暴露溫度達到850℃時，隨著保溫時間的延長，沖擊吸收能量不斷增大，保溫時間從2 h增加到12 h時，沖擊吸收能量從71 J增大到228 J，為原母材的 83.8%。

水冷時(如圖5(b)所示)，750℃時的沖擊吸收能量為20～42 J，僅為原母材的11%;800℃時的沖擊吸收能量為66～85 J，僅為原母材的27.8%;而當熱暴露溫度達到850℃時，隨著保溫時間的延長，沖擊吸收能量不斷增大，保溫時間從4 h增加到12 h時，沖擊吸收能量從37 J增大到122 J，為原母材的 44.9%。

總體而言，當溫度達到750℃或以上時，07MnNiMoDR的沖擊吸收能量達不到材料標準GB 19189—2011《壓力容器用調質高強度鋼板》［14］的不低于 80 J的要求。

2.4 冷卻方式對沖擊韌性和斷裂韌度的影響

不同冷卻方式下沖擊吸收能量的變化如圖6所示?？梢钥闯觯?50～750℃范圍內，在同一保溫時間下，水冷時的沖擊吸收能量總體上低于空冷時的值。從表3和圖4可以看出，當溫度高于750℃時，空冷時的斷裂韌度均大于水冷時的值，這說明水冷比空冷更容易使07MnNiMoDR鋼產生脆性斷裂傾向。

3 結論

(1)無論是空冷還是水冷，07MnNiMoDR鋼受火后其沖擊吸收能量和斷裂韌度急劇下降時的溫度臨界值為650℃，在750℃時沖擊吸收能量達到最小值40 J左右，斷裂韌度則達到113～124 kJ/m2的最小值范圍。在臨界溫度650℃左右，水冷時的沖擊吸收能量小于空冷時的值。當溫度高于650℃時，空冷時的斷裂韌度大于水冷時的值，兩種冷卻方式下的斷裂韌度均隨溫度升高而增大。

圖6 兩種冷卻方式下沖擊吸收能量隨溫度的變化

(2)當溫度在650℃以下，空冷和水冷時07MnNiMoDR鋼在不同保溫時間下的沖擊吸收能量均滿足大于80 J的要求;750和800℃下空冷和水冷時，不同保溫時間下的沖擊吸收能量均低于80 J;在850℃且保溫時間低于4 h條件下，空冷和水冷時的沖擊吸收能量均低于80 J，當保溫時間達到8 h以上時，空冷和水冷時的沖擊吸收能量均大于80 J。

(3)當溫度低于800℃時，保溫時間對07MnNiMoDR鋼沖擊吸收能量的影響不明顯;850℃時的沖擊吸收能量隨保溫時間的增大而不斷增大。

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