压力容器制造——材料、焊接接头及热影响区无塑性转变温度

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摘要

本文探讨了钢铁材料在回火和低温条件下的脆化现象及其测试方法。首先介绍了抗回火脆化和无塑性转变温度（NDTT）的概念，随后详细说明了冲击试验的原理、方法及其对评估材料低温性能的重要性。文章还探讨了如何通过冲击试验获得NDTT，包括FATT50方法，并强调了测试数据对评估材料低温性能和安全性的关键作用。

正文

正文开始

延脆转变温度，即金属的延脆转移温度（DBTT），又称“无延性温度”（NDT）或称“脆性转变温度”，是当金属温度下降至某一点时，其性质延性转变成脆性时的温度。通常此温度确定需通过冲击试验来获得。

1.抗回火脆化

一般材质的钢随着回火温度升高，会出现强度、硬度下降，塑性、冲击韧性上升，但部分钢在一定温度回火时，冲击韧性比在较低温度回火时反而下降，出现回火脆性的脆化现象。大多数中碳结构钢在250-400℃和500-650℃范围内回火后缓冷，出现韧性降低的现象；在400-600℃长期服役后所出现的韧性降低脆化现象，压力容器制造及使用时通常会出现回火脆化问题，即：制造时由回火处理或者焊后热处理冷却过程中所产生的脆化；在回火脆化温度范围内长期运行发生的脆化。

2.无塑性转变温度NDTT

无塑性转变温度NDTT（nil-ductility transition temperature ）：当试验温度低于某一温度时，材料失去韧性，其屈服强度等于断裂强度，没有任何延展性，即无延性时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性，该温度称为韧脆转变温度，按照GB/T6083-2008要求进行试验。

3.冲击试验

试验原理:将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打断试样，测定试样的吸收能量。

适用范围:测定金属材料在夏比冲击试验中吸收能量的方法(V型和U型缺口试样)。

根据缺口类型及深度可分为：深度2mm的V形缺口试样、深度2mm的U形缺口试样。在冲击试样中，缺口的形状和尺寸对冲击试验结果的影响十分明显，缺口类型或缺口深度不同时，由于应力状态不同而引起脆化倾向有不同的差异，其中缺口曲率半径影响最大，缺口深度影响次之，缺口角度影响较弱。

V形缺口试样的根部曲率半径很小，因此在缺口前端冲击力会引起严重的应力和应变集中，缺口敏感性强；U形缺口试样的根部曲率半径较大，应力状态对于塑性变形的约束较 V形缺口小，主要用于韧性较低的材料。

与标准缺口底部半径相比，随缺口根部尖锐度的增大，应力集中趋于严重，冲击吸收功明显下降；反之当缺口底部半径增加时，冲击吸收功增加。冲击吸收功随缺口深度的增加而降低。

冲击试样在制备过程中，缺口的加工质量与测量精度对冲击功的测量有显著的影响，冲击试样缺口的测量尺寸包括缺口角度、缺口底部的高度和缺口根部半径，这些尺寸如果不能准确控制，得到的冲击试验结果也是不可信的，特别是缺口缺口根部半径的微小变化，都可能会引起功测量值的陡然变化，当材料的冲击功处于标准规定的临界值时，测量值的陡然变化就会影响判定该产品的合格与否。

4.无塑性转变温度的获得

有资料表明，低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果。相关标准提供了三种测定韧脆转变温度的方法。其中FATT50方法因影响因素较少，操作也较简便。但此方法脆性断面率的误差，将直接影响曲线的形状，从而影响FATT50的准确度。怎样来保证脆性断面率的准确性，标准并没有详细说明具体的操作方法及注意事项。经过多次试验，只要掌握正确的操作过程，合理处理试样断口和绘制曲线，便能测出准确的韧脆转变温度。

3.1冲击吸收功-温度曲线上下平台间规定百分数所对应的温度（ETTn）

冲击吸收功是指将具有规定形状和尺寸的金属试样，在一次冲击力作用下折断时所吸收的功。测量冲击吸收功的普遍方式是摆锤弯曲冲击试验，即将标准冲击试样置于冲击试验机支座上，然后释放具有一定位能的重锤，把试样一次冲断，冲断试样所消耗的功除以试样缺口处的横断面积所得到的商称为冲击值。

3.2 脆性断面率-温度曲线中规定脆性断面率（n）所对应的温度（FATT）

规定以断口上纤维区与结晶区相对面积之比达一定数值时所对应的温度，例如取结晶区面积占总面积50%所对应的温度，以FATT表示。

a.韧性断裂引起的断口：宏观形貌为杯锥形断口或纯剪切断口，断裂面呈纤维状，由韧窝构成。

b.脆性断裂引起的断口：宏观上呈结晶状，微观上则包括沿晶断口，解理断口或准解理断口。

3.3 侧膨胀值-温度曲线上下平台间某规定值所对应的温度（LETT）

侧向膨胀量则是在冲击试验中常用的一个指标，它可以反映出材料在受到冲击载荷时的变形程度，是通过表征材料抵抗三轴应力断裂的能力来表征材料断裂韧性，试验结束后，检测数据可重现,试样的缺陷敏感性小，数据的准确性高。GB/T229中采用三种方法（游标卡尺法、图像分析法、仪器法）。

通过不同温度下的冲击试验，对试验数据，试块形貌进行分析、统计，绘制出冲击吸收功-温度曲线上下平台间规定百分数所对应的温度（ETTn）；脆性断面率-温度曲线中规定脆性断面率（n）所对应的温度（FATT）；侧膨胀值-温度曲线上下平台间某规定值所对应的温度（LETT）之间的关系图，获得钢原材料、焊接接头及热影响区无塑性转变温度。

来源：压力容器工程师

断裂焊接材料控制试验

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首次发布时间：2024-05-03