高強(qiáng)鋼冷鋼斷裂韌性應(yīng)力的韌脆轉(zhuǎn)變溫度特性

1靜載設(shè)備在低溫脆斷試驗(yàn)中的應(yīng)用材料的合理使用與了解和評(píng)估材料性能的參量密切相關(guān)。由于金屬材料在低溫下有韌脆轉(zhuǎn)變問(wèn)題,為防止低溫下壓力容器等設(shè)備發(fā)生脆性斷裂,在工程中常根據(jù)壓力容器用鋼沖擊韌性隨溫度降低而發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的曲線特性,評(píng)價(jià)其抗低溫脆斷的能力,并相應(yīng)規(guī)定壓力容器用鋼的最低使用溫度。沖擊韌性最初是為防止炮管炸裂而提出的材料性能參量,后推廣應(yīng)用于防止壓力容器等受靜載設(shè)備在低溫下發(fā)生的脆斷。由于沖擊試驗(yàn)是一種動(dòng)態(tài)試驗(yàn),在試驗(yàn)時(shí)試樣的應(yīng)變速率很高,沖擊試驗(yàn)中試樣所吸收的功一般由彈性變形功、塑性變形功與撕裂功三部分組成,總功的大小不能真正反映材料的韌脆性質(zhì),只是其中的塑性變形功,尤其是裂紋擴(kuò)展功才能顯示材料的韌脆性質(zhì)。因此,用沖擊韌性評(píng)定低溫靜載設(shè)備材料的最低使用溫度,近來(lái)也遇到一些問(wèn)題。例如文獻(xiàn)曾報(bào)道,-70°C大口徑管道使用的A350LF2碳錳鋼鍛造法蘭,標(biāo)準(zhǔn)要求材料在-45.6°C的夏比沖擊功(AkV)應(yīng)≥20J,但實(shí)際上有40%法蘭材料達(dá)不到此要求,個(gè)別法蘭材料在-40°C的AkV僅為3J,在進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試與缺陷評(píng)定時(shí),發(fā)現(xiàn)這些AkV僅為3J的A350LF2鋼在-70°C仍有高的斷裂韌性,足以防止法蘭的低溫脆斷。因此,筆者提出了應(yīng)降低對(duì)A350LF2鋼的低溫AkV值的要求。當(dāng)前,斷裂力學(xué)理論已廣泛用于機(jī)械工程材料,但對(duì)材料斷裂韌性的韌脆轉(zhuǎn)變溫度特性的研究很少報(bào)道,而有關(guān)鋼的彈塑性斷裂韌性Ji的韌脆轉(zhuǎn)變溫度特性的報(bào)道更少。因此,我們測(cè)試了我國(guó)壓力容器與管道常用的16MnR鋼的彈塑性斷裂參量Ji隨溫度降低的韌脆轉(zhuǎn)變規(guī)律,并與其AkV值隨溫度降低的韌脆轉(zhuǎn)變規(guī)律相比較,分析其相互的差異,以便在低溫下能更合理的使用材料。2殘余應(yīng)力在板板的消除作用選用兩種分別為36mm和40mm厚的16MnR鋼板,前者為熱軋態(tài),后者為熱軋態(tài)再經(jīng)過(guò)620°C加熱2.5h,以模擬焊后進(jìn)行消除殘余應(yīng)力處理狀態(tài)。鋼板的化學(xué)成分見表1,鋼板的室溫拉伸性能見表2。3鋼板與鋼夏比沖擊功沖擊試驗(yàn)按照GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行,試樣尺寸為10mm×10mm×55mm的2mmV型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣由鋼板的橫向切取,試樣的冷卻介質(zhì)為干冰酒精溶液,試驗(yàn)溫度(°C)為60,20,10,0,-10,-20,-30,-40,-50,-60和-70,試驗(yàn)結(jié)果見表3。兩種板厚16MnR鋼夏比沖擊功AkV值隨溫度變化的曲線見圖1。表4列出由圖1得到以AkV=20J為韌脆轉(zhuǎn)變溫度特征值的vTr20與觀察沖擊試樣斷口以50%纖維斷口為韌脆轉(zhuǎn)變溫度特征值的FATT。4試驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果由于以J積分為斷裂參量的彈塑性斷裂力學(xué)有完善的理論基礎(chǔ),故在本次試驗(yàn)中測(cè)試了16MnR鋼的J積分?jǐn)嗔秧g性,試驗(yàn)按照GB2038-1991《金屬延性斷裂韌度JIC試驗(yàn)方法》進(jìn)行,試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試樣?？紤]到低溫的影響可能數(shù)據(jù)較分散,因此采用多試樣法測(cè)JR-Δa阻力曲線,取起裂值Ji作為低溫?cái)嗔秧g性參量,如試樣脆性斷裂,不能測(cè)得Ji,則取臨界值JIC作為低溫?cái)嗔秧g性參量。試驗(yàn)在INSTRON-803220t伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用液氮酒精溶液作冷卻介質(zhì)。為了提高測(cè)量試樣裂紋擴(kuò)展量Δa的精度,在工具顯微鏡上采用九點(diǎn)測(cè)量法得出Δa。試驗(yàn)溫度(°C)分別為15,-20,-30,-40,-50,-60和-70,試驗(yàn)結(jié)果見表5。兩種厚度的16MnR鋼板的Ji斷裂韌性溫度變化的曲線分別見圖2和圖3,并在圖中分別列入AkV隨溫度變化的曲線以作比較。目前還沒有通用的斷裂韌性Ji的韌脆轉(zhuǎn)變溫度定義,但由圖中曲線可見,厚度為36mm的16MnR鋼板的斷裂韌性Ji的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-40°C,厚度為40mm的16MnR鋼板的斷裂韌性Ji的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-50°C。5鋼板的斷口形貌為了解斷裂韌性Ji隨溫度下降的變化與試樣斷口形貌的關(guān)系,用掃描電鏡觀察了厚度為36mm的16MnR鋼在不同溫度下的三點(diǎn)彎曲試樣的斷口形貌,試樣在15°C,-30°C,-40°C與-50°C的斷口形貌見圖4～7。由圖4及圖5可見,厚度為36mm的16MnR鋼板在15°C及-30°C時(shí)均呈韌窩占主導(dǎo)的塑性斷口形貌,在-40°C時(shí)有部分準(zhǔn)解理河流花樣斷口(圖6),表明已有脆性斷口形貌出現(xiàn),在-50°C基本上是脆性斷口(圖7)。以上試樣斷口特征與斷裂韌性Ji值的變化有很好的相關(guān)性,在-50°C時(shí),試樣已脆斷,無(wú)法測(cè)得Ji值,只能測(cè)取JIC值,其斷口也呈脆性斷口。厚度為40mm的16MnR鋼板三點(diǎn)彎曲試樣斷口特征也同樣與斷裂韌性Ji值的變化有很好的相關(guān)性。6閥塔鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(1)由試驗(yàn)可知,16MnR鋼的斷裂韌性Ji在達(dá)到夏比沖擊韌性AkV的韌脆轉(zhuǎn)變特征溫度vTr20與FATT時(shí)并不下降,甚至有一定的升高趨勢(shì)。斷裂韌性Ji的韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯低于夏比沖擊韌性AkV的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。(2)由16MnR鋼的Ji韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線可知,Ji隨溫度的降低,其韌脆轉(zhuǎn)變呈陡降的特征。而由16MnR鋼的AkV韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線可知,AkV隨溫度的降低,其韌脆轉(zhuǎn)變較為平緩,不如Ji的韌脆轉(zhuǎn)變明顯。(3)由于J積分?jǐn)嗔褏⒘坑型晟频膹椝苄詳嗔蚜W(xué)理論