摘　要： 以天然气分输减压阀阀体用1.6220铸钢为研究对象，采用低温拉伸以及低温冲击试验方法研究了其热轧态和调质态的力学性能随试验温度的变化规律，获得了其韧脆转变温度，观察了不同温度下冲击试样的断口形貌。结果表明：随着试验温度的降低，该铸钢的屈服强度和抗拉强度显著提高，断面收缩率和伸长率逐渐下降；调质处理明显改善了铸钢的低温力学性能，调质态铸钢的屈服强度、抗拉强度、塑性均比热轧态的高，韧脆转变温度由热轧态的2.76 ℃降低到-14.46 ℃；随着温度的降低，铸钢的断裂形式由韧性断裂向解理断裂转变。

关键词： 1.6220铸钢；低温；力学性能；韧脆转变温度

0　引　言

我国的天然气长输管线(如陕京线和“西气东输”管线)沿线地区在秋冬季节温度较低，在天然气分输过程中由于节流效应其温度也骤降，因此减压阀常年在低温下运行。低温下材料的塑性降低、脆性增大，当温度低于材料的韧脆转变温度时，在阀内复杂应力作用下，容易造成阀体脆性断裂，断裂一旦发生会造成天然气泄漏，严重影响天然气分输站场的安全。

为了评估减压阀在低温下运行的安全可靠性，需要研究阀体材料在低温下的力学性能。材料低温力学性能评估主要采用试验方法，包括光学显微镜观察、低温拉伸和低温冲击试验、电镜扫描观察等。李红英[1]分析了低温对金属材料性能的影响，对金属韧脆转变的内外部影响因素和影响机理进行了研究；王元清等[2-5]系统全面地介绍了结构钢材力学性能在低温环境下随温度变化的规律，对常用结构钢材做了一系列低温试验，测得材料各项力学性能指标。减压阀阀体材料主要为1.6220铸钢，目前国内尚未见到公开发表的关于1.6220铸钢低温力学性能的研究报道。

为此，作者对热轧状态和调质状态1.6220铸钢进行了低温拉伸和冲击试验，研究了铸钢低温力学性能的变化规律，为天然气分输减压阀低温下的安全评估提供依据。

1　试样制备与试验方法

1.1　试样制备

试验材料为1.6220铸钢，供货状态为热轧状态，使用状态为调质状态(940 ℃×35 h水淬+600 ℃×38 h空冷)，其化学成分见表1。拉伸试样和冲击试样的尺寸如图1所示。

表1　1.6220铸钢的化学成分(质量分数)

Tab.1　Chemical composition of 1.6220 cast steel (mass)

%

图2　不同状态试样的显微组织
Fig.2　Microstructure of the specimens in the hot rolling state (a) and quenching & tempering state (b)

图1　拉伸和冲击试样的形状和尺寸
Fig.1　Shape and size of tensile specimen (a) and impact specimen (b)

1.2　试验方法

根据GB/T 228-2010《金属材料室温拉伸试验方法和GB/T 13239-1991《金属低温拉伸试验方法》，采用BH-2006C型万能试验机进行常温及低温拉伸试验。万能试验机上配有保温箱和调节降温的设备，利用气泵将液氮注入保温箱形成低温环境。通过气泵电磁阀以及控温系统将保温箱的温度分别调节到20，0，-20，-40，-60 ℃，将试样放入保温10 min，从而使试样温度达到试验预期的温度，在每一温度下进行三组拉伸试验。

根据GB/T 19748-2005《钢材夏比V型缺口摆锤冲击方法》，采用JB-30型冲击试验机进行低温冲击试验。将保温箱温度分别调节到20，0，-20，-40，-60，-80 ℃(温度补偿2 ℃)，放入试样后保温5 min，使用木镊子迅速将试样从保温箱中取出，放于冲击试验机上完成冲击试验。

2　试验结果与讨论

2.1　显微组织

由图2可知，热轧态试样的显微组织主要为粗大的铁素体和珠光体，略呈魏氏组织，有一定的枝晶状组织；调质态的显微组织为白色网状铁素体和黑色珠光体，属于亚共析钢的显微组织构成，铁素体晶粒较热轧态的明显细化且含量下降。

2.2　拉伸性能

由图3可以看出，调质态试样的低温力学性能比热轧态的好，结合图2可知，调质态试样显微组织晶粒较细小且铁素体含量少，因此其力学性能高于热轧态的；两种状态下试样的屈服强度和抗拉强度均随温度的降低而提高，且屈服强度的增加速度比抗拉强度的大。这种低温强化[6-9]现象是由于温度的降低使位错运动受柯氏气团钉扎的作用增强，材料变形困难；此外试样组织中的铁素体为间隙固溶体，温度降低，铁素体中碳含量减少，材料的晶格常数减小，使材料的强度增大。

两种状态下试样的屈强比均随温度的降低而升高,说明随温度的降低1.6220铸钢的韧性变差；温度从20 ℃降到-60 ℃，热轧态试样的屈强比增幅大于调质状态的，说明低温下热轧态试样的塑性恶化更严重；温度低于-40 ℃时，热轧态试样的屈强比趋于稳定，说明其塑性变形已经很小，容易发生低温脆断。

图3　温度对不同状态试样强度的影响
Fig.3　Influence of temperature on strength of the specimens in different states：
(a) yield strength; (b) tensile strength and (c) yield strength ratio

图4　温度对不同状态试样塑性的影响
Fig.4　Influence of temperature on plasticity of the specimens in different states：(a) percentage elongation and (b) percentage reduction of area

由图4可见，不同温度下热轧态试样的断后伸长率和断面收缩率均小于调质态的，且均随着温度的降低而下降；在常温下两者的断后伸长率相近，但热轧态试样的伸长率随温度的降低下降速度更快，当温度降到-60 ℃时，热轧态试样的断后伸长率下降了3.6%，而调质态的下降了2.1%；两种状态下试样断面收缩率的下降速度相近。断后伸长率和断面收缩率反映了材料的塑性变形能力，其值越小表明材料的塑性越差。可见，调质处理能提高1.6220铸钢的低温塑性。

2.3　冲击性能

图5　温度对不同状态试样冲击功的影响
Fig.5　Influence of temperature on impact toughness of the specimens in hot rolling state (a) and quenching & tempering state (b)

由图5可知，无论试样是否经过调质处理，其冲击功均随着温度的降低而降低。温度从20 ℃降至-60 ℃，热轧态试样的冲击功迅速下降，随后在低于-40 ℃后趋向稳定，冲击功迅速下降的温度区间为20～-20 ℃；调质态试样的冲击功随温度的降低先平稳下降再快速下降,最后在低于-40 ℃后趋向稳定，且稳定后的冲击功大于热轧态试样的，冲击功迅速下降的温度区间为0～-20 ℃。由金相观察结果可知，调质态的晶粒较热轧状态的明显细化且铁素体比例下降，由于铁素体立方晶格晶面原子排列稀疏，晶格滑移受阻，材料塑性变形对温度敏感，因此随着温度的降低，材料脆性增大，具有明显的韧脆转变过程；同时，随着晶粒尺寸的减小晶界数量增多，对裂纹扩展的阻碍作用增大，降低了材料的韧脆转变温度。因此，调质处理能有效提高1.6220铸钢的强度，降低其韧脆转变温度。　　韧脆转变温度是材料脆断的主要判据，通常采用Boltzmann函数拟合的方法获得，Boltzmann函数[10-12]如式(1)所示：

式中：AKV为冲击功；A2为上阶AKV值；A1为下阶AKV值；T为温度；dx为转变温度区间；x0为韧脆转变温度。

取两组试验温度T1，T2及对应温度下冲击功均值AKV1，AKV2，带入式(1)求解获得转变温度区间dx和韧脆转变温度x0。由图5可知，调质态试样上阶冲击功A2为51 J，下阶冲击功A1为10 J，计算获得其转变温度区间为5.48 ℃，韧脆转变温度为-14.46 ℃；热轧态下试样上阶冲击功A2为40 J，下阶冲击功A1为5 J，计算获得其转变温度区间为9.61 ℃，韧脆转变温度为2.76 ℃。热轧态1.6220铸钢的韧脆转变温度高于0 ℃，无法满足减压阀的低温正常运行。

减压阀设计规范中要求阀体材料的冲击功在0 ℃时要不小于42 J，运行工况条件下不低于20 J，试验得到0 ℃时调质态1.6220铸钢的冲击功平均值为42.6 J，-20 ℃时的为23.6 J，能够满足阀体材料0 ℃下的韧性要求。但是在冬季时阀体温度有时会降到-30 ℃，此时1.6220铸钢的冲击功很小，极易发生脆性破坏，因此必须采用加热保温的办法保证阀体温度高于-20 ℃，防止因韧性损失而造成的脆性破坏。

2.4　冲击断口形貌

由图6可知，20 ℃时调质态试样的断口以韧窝为主，试样发生了韧性断裂；0 ℃时断口韧窝数量减少，开始出现少量的解理断口形貌；随着温度的进一步降低，断口的韧窝和撕裂棱越来越少，且在温度下降过程中韧窝的尺寸逐渐变小，深度逐渐变浅，长度逐渐变短；当温度降至-20 ℃，断口只有少量的韧窝存在，试样特性已经由韧转脆，总体形貌以脆性断裂为主；当温度由-40 ℃下降到-80 ℃，调质态试样的断口形貌呈明显的舌状花纹和解理台阶，几乎无宏观韧性特征，断面呈结晶状，出现很多反光较强的小平面；当温度为-60 ℃时，试样断口形貌基本为放射区，看不见纤维区的存在，可见-60 ℃下的断口具有显著的脆性断裂特征。金属的低温脆性是金属的屈服强度随温度降低而升高造成的，断口呈现出裂纹急速扩展的放射状撕裂棱形貌[10]。

图6　不同温度下调质态冲击试样的断口形貌
Fig.6　Fracture morphology of the impact specimens in quenching & tempering state at different temperatures

图7　不同温度下热轧态冲击试样的断口形貌
Fig.7　Fracture morphology of the impact specimens in hot rolling state at different temperatures

由图7可知，热轧态试样在20 ℃下断口表现为韧性断裂，断口形貌为微孔聚集型韧窝，但韧窝尺寸较小，且出现较多撕裂棱。对比图6和图7可知，热轧态试样在20℃时的断口韧窝数量较调质态在0 ℃时的还少，可以看出热轧态1.6220铸钢较调质态的冲击功更小，韧性更差。0 ℃时热轧态试样的断口表现为准解理断裂，呈现河流花样，具有由隐蔽裂纹扩展产生塑性变形而形成的撕裂棱，并出现小解理刻面。准解理断裂发生在延性-脆性转变温度的范围内，介于解理断裂和韧性断裂之间，0 ℃时热轧态试样表现为穿晶与沿晶的混合断裂，也有许多的撕裂棱，具有一定的韧性断裂特征。

-20～-80 ℃的断口没有太多宏观塑性变形，断面呈冰糖状，解理刻面逐渐清晰，可观察到明显的解理台阶和大量河流花样，可能由于两边解理面存在位错差，解理裂纹无法通过扭转晶界时重新形核，在晶界处形成“河流激增”，脆性特征明显。

3　结　论

(1) 热轧态和调质态1.6220铸钢的屈服强度和抗拉强度均随着温度的降低而升高，屈服强度增加的速度均比抗拉强度的大；相同温度下调质态试样的屈服强度和抗拉强度均比热轧态试样的高。

(2) 热轧态和调质态1.6220铸钢的断后伸长率和断面收缩率均随着温度的降低而下降，调质态试样断后伸长率的下降速度高于热轧态的；相同温度下热轧态试样的断后伸长率和断面收缩率均小于调质态试样的，调质处理能有效提高1.6220铸钢的低温塑性。

(3) 热轧态和调质态试样的冲击功均随温度的降低而减小，在温度低于-40 ℃后趋向恒定，且稳定后调质态试样的冲击功大于热轧态试样的，满足阀体材料技术要求；调质态试样的韧脆转变温度为-14.46 ℃，满足减压阀的低温运行工况，而热轧态试样的韧脆转变温度高于0 ℃，不满足技术要求；为保证减压阀安全运行，需要保证阀体温度保持在-20 ℃以上。

(4) 随着温度的降低，1.6220铸钢的冲击断裂形式由韧性断裂向解理断裂转变；调质态试样的脆性断裂开始于-40 ℃，热轧态试样的脆性断裂开始于-20 ℃