温度对两种金属材料力学性能的影响

温度对两种金属材料力学性能的影响

1风力发电系统34rcnimo6和25rc2mov具有良好的综合力学性，广泛应用于桥梁、船舶、电厂、锅炉、压力容器、石油储存、重量运输机械等领域。在国家大力号召使用清洁能源的情况下,风力发电逐渐被人们关注。我国“三北”地区风力资源丰富,全国装机总容量的76%分布在这一区域,但是这些地区有一个共同的特点就是冬季气温比较低,最低温度可达到-30℃以下。低温下机组的运行工况、零部件的性能以及机组的可维护性等方面会发生相应的变化,可能会造成风电机组超出原始设计的允许范围,情况严重时还可能会引发严重的安全事故。而34CrNiMo6、25Cr2MoV两种合金是风力发电机组制作螺栓、轴、齿轮、齿圈等零部件的主要用材,所以对于这两种钢材的低温力学性能的研究,对于生产实际具有十分重要的指导意义。2材料及其组织本试验主要包括两种材料自室温至-100℃的光滑拉伸、缺口拉伸、断裂韧性以及微观组织分析四部分。试验中研究的两种钢铁材料34CrNiMo6和25Cr2MoV为锻件,用于制作螺栓、轴、齿轮、齿圈等零部件。材料供货状态下的金相组织如图1所示。34CrNiMo6和25Cr2MoV的热处理状态均为淬火+高温回火,即调质处理,因此其组织均为回火索氏体,比较图1可知25Cr2MoV的组织相对粗大。3分析与讨论3.1缺口拉伸试验结果试验得出两种材料光滑拉伸试样室温至-100℃的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率,为了清楚地说明温度变化对于两种材料性能的影响,将得出数据的平均值绘制如下图2所示。由于变化趋势相似,以34CrNiMo6为例,在图中可以清楚地观察到34CrNiMo6的抗拉强度Rm,屈服强度Rp随温度降低呈递增趋势,而延伸率A和断面收缩率Z随温度降低无明显变化。对于34CrNiMo6和25Cr2MoV两种金属材料,其强度均随着试验温度的降低而逐渐升高。出现此种现象是由于两种材料均属于体心立方金属。而体心立方金属的派-纳力对温度是很敏感的,随着温度降至室温之下,派-纳力会急剧地升高。除此之外,金属在低温下发生螺位错的交滑移比较困难。综合以上两方面的原因,两种金属均产生了随着温度的降低,屈服强度和抗拉强度急剧增高的现象。在低温拉伸试验过程中发现34CrNiMo6和25Cr2MoV两种金属材料的缺口抗拉强度高于同等温度下的光滑试样的抗拉强度。而这种现象室温至-100℃的七个温度区间中均有出现。以34CrNiMo6为例,将材料的在同一温度区间下的抗拉强度Rm和缺口抗拉强度RmH绘制如下图3所示。该现象应该从缺口的存在对金属材料的性能方面有何影响来进行解释。首先缺口的存在会产生两种作用:一是引起应力集中,并改变了缺口前方的应力状态,使缺口试样中所受的应力,由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态,也就是出现了σx(平面应力状态)或σx与σz(平面应变状态),视板厚或直径而定;二是由于缺口根部的多向应力状态,使塑性变形受到了约束,产生了缺口强化。对于塑性较好的材料,若缺口根部产生塑性变形,应力将重新分布,并随载荷的增大塑性区逐渐扩大,直至整个截面上都产生塑性变形。根据屈雷斯加判据,金属屈服的条件是σmax=σy-σx=σs。在缺口的根部,σx=0,故σmax=σy=σs。当外加载荷增加时σy也随之增加,缺口根部首先满足σmax=σy=σs的要求而发生屈服。随着根部产生屈服,则σy立刻松弛而下降到材料的σs值。但在缺口内测的截面上,由于σx≠0,如果想要满足屈雷斯加判据,则必需加大纵向的应力σy,也就是说试样心部的屈服要在纵向应力σy不断增大的状态下才会产生。当满足这个条件时,材料的塑性变形就会从表面扩展至心部。同时伴随着σy、σz随σx的增大而增大。由此可见,在存在缺口的条件下由于出现了三向应力状态,并产生应力集中,试样的抗拉强度比光滑试样单向拉伸时高。3.2材料的断裂强度为了便于分析温度对金属材料J积分的影响。将试验所得两种材料的J积分数据汇总如下表1所示。根据不同试验温度下的J值作出两种材料的J-T曲线。图4和图5分别是34CrNiMo6、25Cr2MoV钢的J值随温度的变化曲线。它们的断裂韧性都随着试验温度的降低而降低,但是不同材料韧性随温度的变化各异。对于34CrNiMo6和25Cr2MoV这两种高强度钢,当温度高于-80℃时,34CrNiMo6材料的断裂韧度数据仍分布于上平台,说明其具有很好的低温断裂韧性。25Cr2MoV的韧脆转变温度很高,断裂韧性未出现上平台,仅在室温可以做出阻力曲线。通过观察金像图片发现25Cr2MoV钢的晶粒明显大于34CrNiMo6,通过对比分析得出,引起试验所用25Cr2MoV钢断裂韧度低下的原因如下:(1)柯垂耳用能量分析法推导出解理裂纹扩展的临界条件,结合甄纳-斯特罗的位错塞积理论模型,加之屈服时裂纹已经形成,其最大切应力和晶粒直径之间存在霍尔-佩奇关系,所以得出解理断裂时裂纹体的实际断裂强度与晶粒大小满足下式关系:σc———裂纹扩展所需要的应力/MPa;G———材料的切变模量/GPa;γs———材料的有效表面能/(J·m-2);ky———材料的钉扎常数;d———材料的晶粒尺寸/μm。由于34CrNiMo6的晶粒直径小于25Cr2MoV,所以在低温下产生解理断裂时,34CrNiMo6所需的应力σc高于25Cr2MoV,即其低温断裂韧度高于25Cr2MoV。(2)34CrNiMo6中的合金元素Ni是非碳化物形成元素,可以扩大奥氏体相区,具有明显的降低韧脆转变温度的作用。结合解理断裂时裂纹体的实际断裂强度与晶粒的关系式,如果考虑到应力状态对断裂的影响,可以得到下式。式中:q———应力状态系数。通过分析上式并结合合金元素V在金属中的作用,猜想25Cr2MoV的断裂韧性数值较低,是因为V在合金中与碳的亲和力强,形成难溶于奥氏体的合金碳化物,且VC稳定性好、不易分解。碳化物钉扎位错使其难以运动,且其为不可动的缺陷属于强钉,从而使钉扎常数ky增加,进而降低材料的断裂韧性,使25Cr2MoV的脆断倾向进一步提高。3.3材料的断口形貌本试验利用HITACHIS-2700型扫描电镜分别观34CrNiMo6、25Cr2MoV两种材料在七个试验温度区间下J积分断口,研究其断口形貌,了解断裂机制。为了更直观地分析温度对断口的影响,选取材料在不同温度下的SEM照片。结合材料J-T曲线,分析温度对断口机理的影响。由于变化趋势相似,所以选取25Cr2MoV的J-T曲线来加以说明。图6是25Cr2MoV钢电镜断口随试验温度变化的示意图,室温时端口形貌为韧窝状,-80℃为准解理断裂,而在-20℃时则是韧窝和准解理两者的混合。这表明随着温度降低,断口机理发生了改变,从而影响了材料的断裂韧性。4关注弱冲压的断裂韧性试验(1)与室温相比较,两种金属材料的屈服强度、抗拉强度均随温度的降低而升高;上升了约12%~17%。随着温度的降低,延伸率以及断面收缩率与室温时的数据变化不大,均未出现明显的温度敏感性。34CrNiMo6和25Cr2MoV的延伸率为20%左右,断面收缩率约为60%。(2)两种金属缺口抗拉强度随温度的降低逐渐升高,由于材料塑性很好产生缺口强化效应,使得缺口材料的抗拉强度高于光滑试样。34CrNiMo6、25Cr2MoV的缺口抗拉强度分别高于光滑试样40.27%、40.88%。随着温度的降低其缺口拉伸敏感系数qe没有显著的变化,均保持在1.40左右。(3)断裂韧性试验中,两种材料的断裂韧性均随温度的降低而降低,室温时34CrNiMo6、25Cr2MoV的断裂韧性分别为320kJ/m2、270kJ/m