921A钢的韧脆转变温度研究

921A钢的韧脆转变温度研究
于兆斌，张庄
(钢铁研究总院,北京 100081)
摘要：采用V型缺口的试样，以冲击吸收功、脆性断面率结合断口形貌的变化对921A钢的韧脆转变温度进行了测定与分析。

试验表明：921A钢韧脆转变温度为FATT50=-100℃。

关键词：921A钢；韧脆转变温度；脆性断面率；断口
RESEARCH ON DUCTILE-BRITTLE TRANSITION TEMPERATURE
OF 921A STEEL
YU Zhao-bin,ZHANG Zhuang
(Central Iron & Steel Research Institute, Beijng 100081,China) Abstract：In order to determine the ductile-brittle transition temperature of
921A,the serial temperature impact testing have been conducted.It is found that impact absorb energy and fracture brittle rate can be related to temperature. The result shows:921A steel’s ductile-brittle transition temperature is -100℃..
Keywords：921A steel；Ductile-brittle transition temperature；Percentage of brittle fracture；Fracture
材料的合理使用与对材料性能的了解和评价性能时所采用的参量有着紧密的关系。

由于材料在低温下有韧脆转变问题，为防止低温下船体等设备发生脆性断裂，在实际中常根据船用钢冲击韧性随温度降低而发生韧脆转变的曲线特性，评价其抵抗低温脆断的能力，并相应规定船用钢的最低使用温度。

评定金属材料的韧脆转变温度，目前国内外一些冲击试验方法的标准中，都有一些测定内容。

GB/T229-1994标准规定了三种测定韧脆转变温度的方法[1]，其中FATT50方法是一种常用的试验方法，操作也较方便。

按GB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》中规定的断口形貌以脆性断面率为50%所对应的温度记为FATT50。

本文采用夏比V 型缺口试样，以上述方法结合断口形貌测定921A钢的韧脆转变温度。

1 试验材料及试验方法
1.1 材料与设备
试验用料均为某钢厂生产的经过调质
热处理，连铸工艺，转炉冶炼的921A钢板，试件从厚度为28mm的钢板上取样，各种试样均为横向取样并接近原始表面，其化学成分及该钢的力学性能指标见表1和表2。

试验所用仪器为NCS系列500J仪器化摆锤式冲击试验机(该仪器的初始冲击速度V0=5.3m/s，试验机的标称能量E0=500J)和NCS IFAI型断口图像分析仪，对冲击试样断口进行全面系统的测量分析，由计算机自动计算出纤维断面率。

表1 921A钢的化学成分（质量分数）
Tab.1 Chemical composition of steel
921A %
C Si Mn P S Mo Cr
0.08 0.25 0.40 0.008 0.005 0.22 1.0
表2 921A钢的力学性能
Tab.2 Mechanical properties of steel 921A Rm（MPa）Rp0.2（MPa）A(%) Z(%) 710 630 25 70
1.2 试验方法
冲击试验按照GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行，试样尺寸为10mm ×10mm×55mm的V型缺口标准试样。

试样由钢板的横向切取，在－100℃～－40℃冷却介质采用液氮和无水乙醇，在－100℃以下冷却介质采用液氮，测温使用低温酒精温度计。

试样在低温槽内保温5min，在nl-500J 仪器化冲击试验机上冲击。

试验选取
-192℃～-40℃温度范围内共六个试验：－40℃、－60℃、―84℃、－100℃、-150℃、-192℃，试验结果见表3。

对于每一温度用三个试样进行测试，得出F-s曲线，如图8～10所示。

2. 结果与讨论
不同试验温度V型缺口试样的冲击吸收功、脆性断面率及断口形貌特征见表3。

由表3可见，随着试验温度的下降，断口形貌的变化规律为：韧窝→准解理+韧窝→准解理。

从-100℃开始出现准解理断口，韧窝断口逐步减小消失，该试样V型缺口
-100℃以准解理为主。

由此可见，921A钢在试验温度范围内存在韧脆转变现象，其中
-100℃是一个转变点。

表3 不同试验温度的测试结果
Tab.3 The testing results in various
temperature
试验温度/℃A KV/J 脆性断面率/% 断口形貌-40 209.4 0 韧窝
-60 180.4 20 韧窝
-84 156 37 韧窝
-100 119.9 50 准解理+韧窝-150 21 100 准解理
-192 4.3 100 准解理注：表中数据为3个试样的算术平均值
图1 冲击吸收功和脆性断面率随温度的变化曲线Fig. 1 The curve of impact energy and brittle fracture with test temperature change
921A钢的A kv和V型缺口试样的脆性断
面率随着试验温度变化规律见图1。

由图1
可见，冲击吸收功随着试验温度的下降而逐
渐减小，而脆性断面率随着试验温度的下降
而逐渐增大，过渡平缓，很难找出明显的拐点。

按GB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击
试验方法》中规定的断口形貌以脆性断面率
为50%所对应的温度记为FATT50，即921A钢
的韧脆转变温度为-100℃。

低温冲击过后的试样经过酒精浸泡，然
后迅速吹干，在NI2004型断口图像分析仪
下观察其断口形貌，其中用红线圈出的部分
为晶状区，如下图所示。

图2 -40℃时断口形貌图3 -60℃时断口形貌
Fig. 2 The fracture at -40℃Fig. 3 The fracture at -60℃
图4 -84℃时断口形貌图5 韧脆转变温度-100℃时断口形貌
Fig. 4 The fracture at -84℃Fig. 5 The fracture at ductile-brittle transition
temperature of -100℃
图6 -150℃时断口形貌图7 -192℃时断口形貌
Fig. 6 The fracture at -150℃Fig. 7 The fracture at -192℃
从断口形貌可以看出，随着温度的降低，断口的形貌特征发生了很大的变化。

观察到三种类型断口：①对应冲击吸收功—温度曲线上平台为100%纤维状韧性断口；②进入转折区，断口出现结晶区，为准解理+韧断的混合断口；③对应下平台为100%结晶状断口。

图8 -40℃时F-s曲线图9 -84℃时F-s曲线Fig. 8 The curve of F-s at -40℃Fig. 9 The curve of F-s at -84℃
图10 韧脆转变温度-100℃时F-s曲线
Fig. 10 The curve of F-s at ductile-brittle transition
temperature of -100℃
从不同温度下仪器化冲击的F-s曲线中
可以看出，在-192℃～-40℃温度范围内，试
验有三种类型F-s曲线。

Ⅰ型F-s曲线对应
韧脆转变温度曲线上平台，此时不发生裂纹
失稳扩展，在最大载荷处形成裂纹，裂纹随
载荷下降稳定扩展，如图8所示。

Ⅱ型F-s 曲线对应转折区，裂纹在达到最大载荷之后的某一载荷处产生失稳扩展,失稳裂纹产生止裂，止裂裂纹再以稳态方式扩展，如图9所示。

Ⅲ型F-s曲线出现在-100℃的温度以下，断裂发生在屈服之前，裂纹失稳后不产生止裂，立即扩展至整个断面，如图10所示。

由F-s曲线可知,总冲击功包括四部分能量:(1)EⅠ为弹性变形能(E e)；(2)EⅡ为塑性变形能(E d)；(3)EⅢ为稳态扩展能(E ps)；(4)EⅣ为非稳态扩展能(E pu),其中EⅠ+EⅡ为裂纹形成功E i,EⅢ+EⅣ为裂纹扩展功E p。

EⅡ
EⅠ
F
s
EⅢEⅣ
Ⅰ型
图11 三种典型的
F-s 曲线
Fig. 11 Three kind of typic F-s curves
3. 结论
（1）通过上述试验分析，以冲击吸收功和纤维断面率结合断口形貌可以得到921A 钢的韧—脆转变温度为-100℃，充分表明该钢具有优良的低温韧性。

（2）从断口上分析可以得到：对应上平台为100%纤维状韧性断口；进入转折区，断口出现结晶区，为准解理
+韧窝的混合断口；对应下平台完全为结晶状断口。

（3）从F-s 曲线上我们可以得到：随着温度的降低，裂纹的扩展方式由稳态扩展发展到不同程度的稳态和不稳态混合方式扩展，逐渐发展到不稳态扩展。

因此，从断口和仪器化冲击曲线来看，可以进一步了解921A 钢在低温冲击下的断裂行为。

参考文献:
[1] GB/T 229-1994,金属夏比缺口冲击试验方法[S].
s。