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        10Ni3MoVD鋼鍛件的低溫韌性

        2019-01-02 07:09:02,
        機械工程材料 2018年12期
        關(guān)鍵詞:落錘調(diào)質(zhì)鍛件

        ,

        (合肥通用機械研究院有限公司,合肥 230031)

        0 引 言

        NB/T 47009-2017標準中所列的用于設計溫度-50 ℃承壓設備的鍛件的材料牌號為10Ni3MoVD,該材料是20世紀80年代初國內(nèi)壓力容器廠家為制造低溫球罐而研制的[1-2]。但在之后的20多年時間里,國內(nèi)建造的大型乙烯、丙烯用低溫球罐均沒有采用10Ni3MoVD鋼鍛件,也幾乎查不到相關(guān)制造的供貨記錄[3-5]。這主要是由于受冶煉技術(shù)、冶煉設備以及軋制水平的限制,國產(chǎn)材料的化學成分和力學性能的穩(wěn)定性得不到用戶的認可,國內(nèi)建造的低溫球罐用鍛件大多選用進口材料[6-9]。為了驗證10Ni3MoVD鋼鍛件的綜合力學性能尤其是低溫韌性的穩(wěn)定性,推動壓力容器用鋼的國產(chǎn)化,作者試制了10Ni3MoVD鋼鍛件并進行了調(diào)質(zhì)熱處理,研究了其顯微組織、拉伸性能和低溫韌性。

        1 試樣制備與試驗方法

        1.1 試樣制備

        試驗材料為10Ni3MoVD鋼錠,由浙江大隆合金鋼有限公司生產(chǎn),其爐罐號為712B-VD93。此鋼錠的主要工藝流程為電爐冶煉→VD真空脫氣精煉→下注法澆注,鋼錠規(guī)格為325 mm×325 mm,試驗鋼的熔煉成分及澆注樣成分見表1。將10Ni3MoVD鋼錠按鍛造比大于3.5鍛造成尺寸為280 mm×480 mm×70 mm的鋼板,并進行調(diào)質(zhì)熱處理,調(diào)質(zhì)熱處理的回火溫度為660 ℃。

        1.2 試驗方法

        在外觀無裂紋、夾層、折疊等缺陷的試驗鋼上,沿截面方向制取全厚度金相試樣(厚度t為70 mm),經(jīng)研磨拋光,用體積分數(shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后,根據(jù)GB/T 13298-2015,使用XHC-SV2型光學顯微鏡對表層、t/4位置和t/2位置的顯微組織進行觀察,依據(jù)GB/T 6394-2017進行晶粒度的評定。

        表1 10Ni3MoVD鋼的熔煉成分和澆注樣成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of smelting and casting sample of 10Ni3MoVD steel (mass) %

        圖1 試驗鋼不同位置的顯微組織Fig.1 Microstructure at different positions of tested steel: (a) surface layer, at low magnification; (b) t/4 position, at low magnification; (c) t/2 position, at low magnification; (d) surface layer, at high magnification; (e) t/4 position, at high magnification and (f) t/2 position, at high magnification

        沿試驗鋼厚度方向,在其表層、t/4位置和t/2位置分別截取規(guī)格為φ10 mm的拉伸試樣,標距為100 mm,按照GB/T 228.1-2010,使用QX-W700型萬能試驗機進行拉伸試驗,加載速率為30 MPa·s-1。

        分別在試驗鋼的表層、t/4位置和t/2位置截取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標準夏比沖擊試樣,開深度為2 mm的V型缺口,按照GB/T 19748-2005和GB/T 229-2007,在ZBC2452N-4型示波沖擊試驗機上進行夏比沖擊試驗,試驗溫度為-100~20 ℃,冷卻介質(zhì)為無水乙醇加液氮。觀察試驗鋼的沖擊斷口宏觀形貌,按照GB/T 12778-2008測定晶狀斷面率及側(cè)膨脹值,測3個試樣取平均值。分別在試驗鋼的表層和t/4位置截取尺寸為20 mm×50 mm×130 mm的P2型試樣,按GB/T 6803-2008進行落錘試驗,測定其無塑性轉(zhuǎn)變溫度,沖擊溫度為-75~-60 ℃,冷卻介質(zhì)為工業(yè)酒精加液氮,過冷度為2~3 ℃。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 顯微組織

        由圖1可以看出:試驗鋼表層和t/4位置的顯微組織均為回火索氏體+貝氏體,t/2位置處的顯微組織為回火索氏體+貝氏體+鐵素體;表層組織中的回火索氏體略保留馬氏體位向關(guān)系,且表層的晶粒尺寸大于t/4位置和t/2位置處的,這是由于在進行調(diào)質(zhì)熱處理時,表層在高溫區(qū)的停留時間相對較長,奧氏體晶粒較t/4位置和t/2位置處的有所長大。表層、t/4和t/2位置處的平均晶粒度分別為9.5,10,10級,均不低于9.5級。

        2.2 拉伸性能

        在NB/T 47009-2017標準中規(guī)定,10Ni3MoVD鋼的抗拉強度Rm為600~760 MPa,屈服強度ReL不低于480 MPa,斷后伸長率A不低于17%。由表2可以看出:試驗鋼不同位置試樣的拉伸性能均滿足標準要求,且斷后伸長率比標準指標的下限值高出較多;表層的抗拉強度明顯高于t/2位置的,這主要是由于t/2位置的顯微組織中存在部分強度較低的鐵素體組織。

        表2 試驗鋼不同位置試樣的拉伸性能Table 2 Tensile properties of samples from differentpositions of tested steel

        2.3 沖擊性能

        把不同溫度下的總沖擊吸收能量Wt(即沖擊吸收功AKV),按照GB/T 19748-2005附錄D的規(guī)定分解為裂紋形成能量Wi和裂紋擴展能量Wp,從而繪制出總沖擊吸收能量、裂紋形成能量和裂紋擴展能量與溫度的關(guān)系曲線,如圖2所示。由圖2可以看出:在-50 ℃沖擊溫度下,試驗鋼表層、t/4位置和t/2位置的總沖擊吸收能量分別為202,176,182 J,遠高于NB/T 47009-2017標準中80 J的最低指標要求;試驗鋼不同位置的裂紋擴展能量占總沖擊吸收能量的比例較大,但隨沖擊溫度的降低明顯下降;裂紋形成能量隨沖擊溫度的降低先略有變化,當沖擊溫度在-80~-60 ℃時開始迅速下降。由此可見,試驗鋼在-60 ℃以上具有很好的抗裂紋形成及擴展能力。

        由表3可以看出,在-50 ℃沖擊溫度下,試驗鋼不同位置試樣的晶狀斷面率均低于20%,側(cè)膨脹值均不小于2.25 mm,說明試驗鋼在此溫度下具有很好的沖擊韌性。

        圖2 試驗鋼不同位置試樣的沖擊吸收能量隨沖擊溫度的變化曲線Fig.2 Impact absorbed energy vs impact temperature curves of samples from different positions of tested steel:(a) surface layer; (b) t/4 position and (c) t/2 position

        Table3Percentageofcrystallinityandlateralexpansionofimpactfractureofsamplesfromdifferentpositionsoftestedsteel

        沖擊溫度/℃晶狀斷面率/%側(cè)膨脹值/mm表層t/4位置t/2位置表層t/4位置t/2位置200002.242.311.5800002.322.212.36-200002.482.472.41-400872.292.302.30-5001982.252.262.36-60942232.241.972.11-802550472.071.701.83-1005273811.501.300.83

        由圖3可以看出,隨著沖擊溫度的降低,試驗鋼不同位置試樣沖擊斷口上的晶狀斷裂區(qū)域變大,在-100 ℃下沖擊后試樣呈脆性斷裂狀態(tài)。

        圖3 不同溫度沖擊后試樣斷口的宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of fracture of samples afterimpact at different temperatures

        2.4 無塑性轉(zhuǎn)變溫度

        由表4可以得到,試驗鋼表層和t/4位置處的無塑性轉(zhuǎn)變溫度分別為-75,-65 ℃。由此可見,試驗鋼在-50 ℃仍具有優(yōu)良的沖擊韌性,并且還有一定的富余量。

        由圖4可以看出:取自試驗鋼表層的試樣在-70 ℃下進行落錘試驗后未發(fā)生斷裂,在-75 ℃下發(fā)生脆斷;取自試驗鋼t/4位置的試樣在-60 ℃下進行落錘試驗后未發(fā)生斷裂,在-65 ℃下發(fā)生脆斷。由此可見,試驗鋼表層的低溫韌性略優(yōu)于t/4位置的,這與沖擊試驗結(jié)果吻合。

        表4 試驗鋼不同位置試樣的落錘試驗結(jié)果Table 4 Drop-weight test results of samples from differentpositions of tested steel

        圖4 試驗鋼不同位置試樣落錘試驗后的外觀Fig.4 Appearance of samples from different positions of tested steelafter drop-weight test: (a) surface layer and (b) t/4 position

        3 結(jié) 論

        (1) 將10Ni3MoVD鋼錠按鍛造比大于3.5鍛造成鋼板,并進行調(diào)質(zhì)熱處理,所得試驗鋼的顯微組織主要由回火索氏體和貝氏體組成,不同厚度位置的晶粒度均不低于9.5級。

        (2) 試驗鋼的拉伸性能滿足NB/T 47009-2017標準中的指標要求;在-50 ℃下,試驗鋼的沖擊韌性優(yōu)良,總沖擊吸收能量不低于176 J,滿足標準規(guī)定的大于80 J的指標要求,其沖擊斷口晶狀斷面率低于20%,側(cè)膨脹值大于2.25 mm;試驗鋼表層及t/4位置的無塑性轉(zhuǎn)變溫度分別為-75,-65 ℃,表層的低溫韌性略優(yōu)于t/4位置的。

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