張奎良 侯世璞 霍巖 許佳麗 趙鵬

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

25Cr2Ni4MoV是鉻-鎳-鉬-釩系合金鋼，是目前汽輪發(fā)電機常用的轉(zhuǎn)子鍛件材料之一。轉(zhuǎn)子是汽輪發(fā)電機的核心部件，因此該鋼種需要具有優(yōu)異的性能，如高強度、高塑性、高韌性及良好的導(dǎo)磁性能。目前國內(nèi)外對發(fā)電機轉(zhuǎn)子材料的冶煉、澆鑄、鍛造、熱處理等工藝要求均十分嚴格。國內(nèi)外學(xué)者也已對25Cr2Ni4MoV鋼的多種性能開展了相關(guān)研究。例如，穆雷雅等[1]研究了該合金的低溫沖擊性能，研究表明隨著沖擊試驗溫度的降低，沖擊試樣斷口的剪切斷裂的面積逐漸減少，解理斷裂的面積逐漸擴大，但溫度降低至-160℃時，沖擊吸收能量仍然高于27 J。吳新麗等[2]研究了25Cr2Ni4MoV鋼熱處理性能，發(fā)現(xiàn)在580～640℃溫度范圍內(nèi)回火時，25Cr2Ni4MoV鋼的塑韌性隨回火溫度的升高顯著提高，溫度為640℃時達到最優(yōu)。葉麗燕等[3]研究了該合金的熱變形行為，結(jié)果表明，溫度相同時，隨著應(yīng)變速率增加，峰值應(yīng)力增加；應(yīng)變速率相同時，隨著溫度增加，峰值應(yīng)力降低。學(xué)者還對25Cr2Ni4MoV鋼的焊接接頭疲勞性能及腐蝕疲勞行為研究開展了相關(guān)研究[4-5]。

通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)針對該合金在受到短時高溫條件下的拉伸性能研究鮮見報道。但是當發(fā)電機服役運行過程中如出現(xiàn)意外事故時，轉(zhuǎn)子軸鍛件局部有可能受到不同程度溫度的影響，如機組匝間短路引起的放電燒傷，轉(zhuǎn)子材料處于高溫時，力學(xué)性能會隨之發(fā)生改變，從而會影響發(fā)電機組運行安全。所以有必要對轉(zhuǎn)子材料在不同溫度下的拉伸力學(xué)性能開展研究，得到其變化規(guī)律及斷裂機理，為機組的安全運行提供數(shù)據(jù)參考，進而對其進行質(zhì)量評估和適當?shù)脑偬幚?。因此本文研究針?5Cr2Ni4MoV合金鋼，對不同溫度下的25Cr2Ni4MoV拉伸性能開展了系統(tǒng)性試驗研究，細致觀察了不同拉伸溫度下25Cr2Ni4MoV鋼的拉伸斷口微觀及宏觀形貌，并對其斷裂機理進行了分析。

1 試驗材料及方法

本文選用調(diào)質(zhì)態(tài)轉(zhuǎn)軸鍛件25Cr2Ni4MoV合金鋼，采用火花放電原子發(fā)射光譜法實測其化學(xué)成分如表1所示。25Cr2Ni4MoV拉伸試樣的加工尺寸如圖1所示，測量標距為50 mm，每個拉伸溫度下選取兩件平行試樣開展試驗測試，并取其平均值作為最終結(jié)果。參照GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗：第2部分 高溫拉伸試驗方法》進行高溫拉伸試驗。高溫拉伸時將試樣加熱至規(guī)定拉伸溫度后保溫20 min，從而保證試樣拉伸溫度達到指定溫度且拉伸溫度均勻。利用SHIMADZU AG-I電子拉伸機開展拉伸試驗，得到不同拉伸溫度下試樣的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率以及斷面收縮率。拉伸溫度選擇在Ac1溫度以下，25Cr2Ni4MoV的Ac1溫度通常在700℃左右。因此選取的拉伸溫度分別為25℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃和600℃。

表1 研究用25Cr2Ni4MoV鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 拉伸試樣尺寸

在拉伸斷后試樣的未變形區(qū)使用電火花線切割沿拉伸方向切取金相樣品，然后依次使用150#、400#、800#、1000#的砂紙對金相樣品進行打磨，每次調(diào)換下一號更細的砂紙時，將樣品轉(zhuǎn)動90°，使得新舊磨痕相互垂直，并將上一號磨痕去除。打磨好后使用2.5 μm金剛石研磨膏對樣品進行拋光，拋光后對金相樣品進行化學(xué)腐蝕，腐蝕劑選用飽和苦味酸水溶液。使用酒精對腐蝕好的樣品進行清洗，接著用吹風機對其吹干備用。使用ZEISS Observer.A1m光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織。使用日立高新S-3700N掃描電子顯微鏡(SEM)對拉伸斷口進行宏觀及微觀的觀察，利用S-3700N掃描電鏡配套的BRUKER XFlash Detector 630M能譜分析儀(EDS)對斷口進行微區(qū)成分分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

25Cr2Ni4MoV鋼在不同溫度下的拉伸試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可見，室溫時(25℃)，25Cr2Ni4MoV鋼的屈服強度和抗拉強度分別為678 MPa和793 MPa。當拉伸溫度低于400℃時，隨拉伸溫度升高，25Cr2Ni4MoV鋼的屈服強度和抗拉強度緩慢降低，且降低幅度逐漸減小，當拉伸溫度為400℃時，屈服強度和抗拉強度分別為575 MPa和683 MPa，與室溫相比分別下降了約14%和15%，兩者的下降比例相當。當拉伸溫度高于400℃時，合金的屈服強度和抗拉強度下降幅度顯著增加，拉伸溫度為500℃時，屈服強度和抗拉強度分別下降至500 MPa和577 MPa，與室溫相比已經(jīng)分別下降了約27%和26%。隨著拉伸溫度的升高，25Cr2Ni4MoV鋼的屈服強度和抗拉強度下降主要是由于外界所提供的熱激活能逐漸增強，原子間結(jié)合力降低，原子擴散能力增強，使得位錯更容易發(fā)生滑移，滑移阻力變小并產(chǎn)生新的滑移系，最終導(dǎo)致變形阻力減小[6-7]，強度降低。

(a)屈服強度和抗拉強度

根據(jù)25Cr2Ni4MoV鋼的拉伸強度隨溫度變化曲線，以400℃為分界點，可使用二次函數(shù)分別對曲線進行擬合，擬合后的曲線見圖2(a)，由曲線可知擬合的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合性較好，能準確反映出25Cr2Ni4MoV鋼拉伸強度隨溫度的變化。擬合的二次函數(shù)如下：

25～400℃拉伸溫度區(qū)間：

ReL=691.46-0.55T+6.52×104T2

Rm=806.14-0.67T+9.21×104T2

400～600℃拉伸溫度區(qū)間：

ReL=647.46+0.25T-10.7×10-4T2

Rm=868.68+0.004T-11.6×10-4T2

式中，T為拉伸溫度(℃)；ReL和Rm分別為下屈服強度和抗拉強度(MPa)。

由圖2(b)可知，在本試驗拉伸溫度范圍內(nèi)，與室溫相比，隨拉伸試驗溫度升高，25Cr2Ni4MoV鋼的斷后伸長率均略有降低。當拉伸溫度高于550℃時，斷后伸長率有明顯增加的趨勢，這可能是由于此時拉伸溫度已經(jīng)較高，金屬的蠕變現(xiàn)象開始產(chǎn)生一定的作用，高溫下位錯借助外界提供的熱激活能和空位擴散來克服某些短程障礙，使得變形不斷產(chǎn)生，高溫下的熱激活過程主要是刃型位錯的攀移。對于斷面收縮率而言，拉伸溫度低于400℃時，25Cr2Ni4MoV的斷面收縮率幾乎不變，當溫度高于400℃時，斷面收縮率明顯增加，即隨拉伸溫度升高，試樣縮徑程度先幾乎保持不變，當拉伸溫度高于400℃時，拉伸試樣縮徑現(xiàn)象將變得更加明顯。

2.2 斷口形貌

根據(jù)拉伸試驗結(jié)果，選取了25℃、100℃、300℃、400℃、500℃和600℃的拉斷試樣用于掃描電鏡斷口觀察。不同拉伸溫度下25Cr2Ni4MoV拉伸試樣宏觀斷口如圖3所示，由圖可見，室溫時拉伸試樣斷口主要呈杯錐形，斷口內(nèi)部存在一些微孔洞，微孔洞聚集長大會造成拉伸試樣受力面積減小，進而斷裂，其斷裂機理為微孔聚集型韌性斷裂。隨拉伸溫度升高，25Cr2Ni4MoV拉伸試樣的斷裂機理未發(fā)生改變，仍為微孔聚集型韌性斷裂。觀察試樣的宏觀斷口還可知隨著試驗用拉伸溫度的升高，斷口的頸縮程度先基本保持不變，再顯著增加。

由圖3(a)可見，拉伸溫度為25℃時，宏觀斷口主要由纖維區(qū)和剪切唇組成，試樣斷口表面還存在一條剪切脊，剪切脊平行于裂紋擴展方向，并逆指向纖維源區(qū)，為典型的中、低碳鋼光滑試樣靜拉伸斷口形貌。由圖3(b)～(f)可見，拉伸溫度為100℃至500℃溫度區(qū)間內(nèi)，宏觀斷口由纖維區(qū)和剪切唇組成，未見剪切脊的存在，拉伸溫度為600℃時宏觀斷口全部由纖維區(qū)組成。不同拉伸溫度下，纖維區(qū)是塑性變形過程中微裂紋不斷擴展和相互連接造成的，其形態(tài)為鋸齒形，纖維區(qū)所在的平面垂直于拉伸方向；剪切唇表面光滑，為典型的切斷型斷裂。結(jié)果表明，隨拉伸溫度的升高，25Cr2Ni4MoV鋼的宏觀斷口形態(tài)將發(fā)生變化，溫度升高到600℃時，剪切唇區(qū)域會消失。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

圖4為不同拉伸溫度下25Cr2Ni4MoV拉伸試樣顯微斷口。由圖可知，25Cr2Ni4MoV拉伸試樣在斷裂前發(fā)生了明顯的塑性變形。室溫時，斷口表面存在大量圓形或橢圓形的等軸韌窩，隨著溫度升高至400℃時，斷口表面韌窩尺寸有所增加，再繼續(xù)提高拉伸溫度，韌窩尺寸和數(shù)量均顯著增加。觀察圖中斷口的韌窩，還可見部分微孔洞韌窩底部存在夾雜物，表明微孔洞主要是由夾雜物質(zhì)點與界面脫離而形成，它們是在25Cr2Ni4MoV鋼斷裂前塑性變形進行到一定程度產(chǎn)生的。拉伸微觀斷口結(jié)果表明當試樣拉伸溫度超過400℃時，除了外界所提供的激活能導(dǎo)致變形阻力減小，強度降低外，裂紋也更易在鋼中夾雜物位置處起裂，夾雜使得合金性能更加惡化，導(dǎo)致25Cr2Ni4MoV鋼強度顯著降低。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

圖5為更高放大倍數(shù)下的拉伸斷口顯微組織，可知隨拉伸溫度升高除了韌窩尺寸和數(shù)量的增加之外，還可觀察到當拉伸溫度達到400℃時，韌窩表面附著有大量微小顆粒物，拉伸溫度升高至500℃或更高的600℃時，顆粒物數(shù)量明顯增多，尺寸也顯著增大。由于本試驗高溫試驗是在大氣環(huán)境下開展的，而非真空環(huán)境，因此推斷顆粒物應(yīng)為新鮮斷口在高溫下發(fā)生了氧化產(chǎn)生的。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

經(jīng)掃描電鏡配套的EDS能譜分析，顆粒物主要組成元素為鐵和氧，結(jié)果如圖6所示，EDS能譜結(jié)果證實了韌窩表面附著的顆粒物為鐵的氧化物。

圖6 500℃時斷口韌窩表面顆粒物及顆粒物能譜分析

為進一步分析微孔洞底部夾雜物種類及可能的來源，使用EDS能譜對其進行成分分析，圖7是微孔洞底部夾雜物元素面分布圖，可知夾雜物主要由Mg、Al和O組成。使用EDS能譜對該夾雜物進行打點分析，結(jié)果如表2所示，根據(jù)其質(zhì)量分數(shù)并結(jié)合其形態(tài)可確定夾雜物種類為MgAl2O4尖晶石。25Cr2Ni4MoV鋼中并不含Mg和Al元素，推斷Mg元素應(yīng)該來自于煉鋼時所用的耐火材料，Al元素來自于煉鋼時所用的耐火材料或脫氧劑，所以在控制成本的前提下，應(yīng)盡可能的提高鋼水的純凈度，這有利于改善鋼的高溫強度。

(a)SEM (b)Fe (c)C

表2 夾雜物能譜打點分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.3 顯微組織

圖8為試驗所用的25Cr2Ni4MoV鋼初始顯微組織照片，可知其金相組織主要為貝氏體，且晶粒尺寸細小，未見粗大晶粒，晶粒也十分均勻，晶粒等級為9級左右。

圖8 試驗用25Cr2Ni4MoV鋼的顯微組織

圖9為不同拉伸溫度下25Cr2Ni4MoV拉伸試樣遠離斷口處的顯微組織。由圖可知，試樣金相組織主要為貝氏體，在25℃至600℃拉伸溫度范圍內(nèi)，晶粒未發(fā)生長大，顯微組織亦無明顯變化。即在600℃及以下短時加熱條件下(20 min)，該材質(zhì)的組織不會產(chǎn)生明顯變化。劉俊等[8]在研究與25Cr2Ni4MoV主元素相近的Cr-Ni-Mo-Ti鋼在短時高溫拉伸時，同樣發(fā)現(xiàn)拉伸溫度為700℃以下時，Cr-Ni-Mo-Ti鋼的金相組織同樣不會發(fā)生明顯變化。結(jié)合相關(guān)文獻及顯微組織結(jié)果表明，在本試驗的拉伸溫度范圍內(nèi)，25Cr2Ni4MoV鋼的金相組織是較穩(wěn)定，不會發(fā)生明顯變化。

(a)25℃ (b)100℃ (c)300℃

3 結(jié)論

(1)溫度對25Cr2Ni4MoV拉伸性能影響顯著，隨溫度升高，合金的屈服強度和抗拉強度降低，拉伸溫度超過400℃時，裂紋更易在夾雜物位置處起裂，令合金性能更加惡化，導(dǎo)致合金強度顯著降低。

(2)隨溫度升高，25Cr2Ni4MoV鋼的斷后伸長率與室溫相比均略有降低，斷面收縮率先幾乎保持不變，溫度超過400℃時，斷面收縮率明顯增加。

(3)25Cr2Ni4MoV短時高溫拉伸下合金的金相組織無明顯變化，合金的拉伸斷裂機理為微孔聚集型韌性斷裂，隨溫度升高，斷口的韌窩尺寸和數(shù)量均顯著增加。