摘要:采用冲击试验及扫描电镜分析等方法研究了室温下试样厚度对U和Q结构钢夏比摆锤冲击吸收能量的影响。结果表明:相对较薄的试样不存在冲击载荷突降现象,但试样厚度为20mm的Q钢的冲击载荷突降高达80%以上;当试样厚度≤10mm时,冲击吸收能量随试样厚度的增加总体呈线性变化,但不同材料冲击吸收能量随厚度变化的比例系数显著不同;当试样厚度10mm时,冲击吸收能量随厚度增加偏离了线性规律;此外,随着厚度的增加,不同材料冲击吸收能量的增量和断口形貌显著不同,这归因于材料的冲击韧性及其冲击断裂机制不同。对于厚度不满足标准试样的材料,标准试样的冲击吸收能量可通过测试不同厚度的非标试样,然后再用拟合公式计算得到。
关键词:结构钢;冲击吸收能量;试样厚度;断口形貌
中图分类号:TG.25+4文献标志码:A文章编号:-()07--05
钢材的力学性能如强度、韧性等被视为衡量材料结构安全的重要指标。冲击韧性能够反映材料经受冲击载荷时抵抗断裂的能力,揭示了材料的变脆倾向,在工程实践中具有重要意义。
材料的冲击韧性与其微观组织及所在的服役环境密切相关,主要包括晶粒尺寸[1]、第二相颗粒含量和分布[2]、工件尺寸[3-4]、材料加工的热处理方式[5-6]以及温度[7-8]等,其中工件尺寸对钢材脆性和韧性测量结果有显著的影响[9-10]。研究结果表明:当试样具有相对较大的横截面时,其往往呈现脆性断裂;当试样具有相对较小的横截面时,其倾向于呈现韧性断裂,这是因为不同尺寸的试样具有不同的应力状态,其中工件的长度和宽度对材料脆性和韧性的影响相对较小,所以尺寸通常指工件的厚度[9]。
在实际应用中,许多材料尺寸较小,不能满足GB/T-《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T-《钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法》、GB/T-《焊接接头冲击试验方法》对冲击试样尺寸的要求,如许多新型纳米结构金属、金属玻璃以及石油钻杆所使用的超高强度钢级V及U等,很难达到冲击试样的标准尺寸[10-11]。研究不同厚度的试样与标准试样冲击吸收能量之间的相关性,对工程材料的选材、设计以及确保材料安全服役都具有重要意义。
1试验材料及方法
试验材料为超高强度钻杆钢U和普通正火钢Q,同时引用了文献[3]中20钢的数据,与U钢和Q钢的试验结果进行对比分析,3种钢的力学性能如表1所示,夏比V型缺口试样和平行试样均为3个。根据GB/T-,U钢级钻杆因管材壁厚限制,不能获得厚度为10mm的标准试样,冲击试样采用厚度分别为2.5,5,7.5mm的小尺寸试样,其他维度尺寸保持不变,长度为55mm,宽度为10mm;Q钢原材料为板材,冲击试样除了厚度为2.5,5,7.5mm的小尺寸试样和厚度为10mm的标准尺寸试样外,增加了厚度分别为15,20mm的补充试样,其他维度尺寸保持不变。冲击试验采用NIC型数字显示冲击试验机进行冲击试验,断口利用JSM-型扫描电子显微镜(SEM)进行观察和分析。此外,GB/T-《碳素结构钢》对试样厚度为10,7.5,5mm的Q钢的冲击吸收能量值的要求分别是不低于27,20,13.5J。U钢属于超高强度钻杆钢级,相关标准目前尚在制订中。
2试验结果与分析
2.1显微组织分析
U钢的显微组织晶粒尺寸很小,在光学显微镜下较难识别[见图1a)],用SEM将其显微组织放大至倍,确定其显微组织为回火索氏体[见图1b)],该组织通常具有良好的综合性能。图1c)为Q钢的显微组织,其中深色为珠光体,浅色为铁素体,其中铁素体含量(体积分数)约为80%,用SEM将其显微组织放大至倍,可以观察到珠光体、深色铁素体和浅色渗碳体呈片层状交替分布[见图1d)]。
2.2试样厚度对位移-载荷曲线的影响
试样厚度t对结构钢的冲击吸收能量具有显著影响,U钢和Q钢在不同厚度下的位移-载荷曲线如图2所示。由图2a)可知:对于U钢来说,当载荷达到最大值后,t=2.5mm的试样载荷随着摆锤位移的增加下降均匀;当t=5mm时,试样承受的载荷发生突降,如图2a)中的A点所示,载荷从.7N突降到.4N;当t=7.5mm时,载荷下降得更快,载荷从.6N突降到.6N,如图2a)中B点所示。载荷突降意味着冲击裂纹迅速扩展,即裂纹前端的塑性变形不能舒缓裂纹尖端的应力集中,发生裂纹急剧增加;由于裂纹沿晶体平面扩展,很少发生塑性变形,从而宏观表现为解理断口,耗散较少能量。由图2b)可知:Q钢试样厚度与U钢具有相似的趋势,即t=2.5mm的试样也未出现载荷突降现象,当t=20mm时,载荷从.6N突降到.9N,突降幅度达最高载荷的80%以上。
2.3试样厚度对冲击吸收能量的影响
冲击吸收能量是衡量材料韧性的一个重要指标,表征了材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形能量和断裂能量的能力。超高强度钢U、普通结构钢Q及20钢随试样厚度的增加,其冲击吸收能量的变化如图3所示。由图3可知:当t≤10mm时,冲击吸收能量随试样厚度的增加总体呈线性增加趋势,然而当t10mm时,则不再呈线性变化;同时还可观察到,对于同一种材料,试样厚度增加的倍数与冲击吸收能量增加的倍数并非一致,如超高强度钢U试样厚度增加了1倍,冲击吸收能量增加了近3倍,这是因为U钢厚度的增加使其不仅能承受更高的载荷,且可以发生更充分的变形,使得预制的V型切口整体开裂,对应的位移显著滞后(相对同一材料更薄的试样),从而在更高载荷下,能消耗更多的能量;同时也发现,尽管3种钢材的力学性能不同,但3种钢材在相对较小厚度下的冲击吸收能量没有明显的区别,这是因为试样厚度决定了材料的应力状态,当试样厚度较小时,试样受力更倾向于平面应力状态,试样两侧更容易自由收缩,因此更易发生塑性变形,相比厚度更大的试样,薄试样塑性变形能量所起的作用更大,导致不同材料冲击吸收能量区别不大。当试样厚度相对较大时,由于不同材料的断裂韧性不同,厚度对应力状态的影响会越来越显著[12]。
由于U钢相比于Q钢具有更好的冲击韧性和更高的屈服强度,所以具有更好的断裂韧性。U钢和Q钢试样在不同厚度下的冲击断口形貌如图4,5所示。由图4,5可知:相比断裂韧性好的U钢,断裂韧性较差的Q钢试样在相同厚度(t=7.5mm)下更倾向于呈现为平面应力状态;当t=2.5mm时,U钢和Q钢的宏观断口形貌只有纤维区和剪切唇区,微观断口形貌呈现为较均匀的韧窝;当t=5mm时,U钢的断口为韧性断口,宏观形貌只有纤维区和剪切唇区,微观形貌呈现为韧窝,但大小不一,分布不均匀,而Q钢的断口出现放射区,微观形貌呈现为解理断口,部分解理面超过60μm,与图1c)中Q钢的晶粒尺寸具有对应关系;当t=7.5mm时,U钢仅有少部分解理断口,而Q钢几乎完全为解理断口,且U钢的解理面相比Q钢更小,小于Q钢的1/5。这是因为U钢的显微组织为回火索氏体,没有整块大的铁素体和珠光体晶粒,而是由极其细小的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上构成[13]。
通过以上分析可知:标准试样及不同尺寸试样的冲击吸收能量具有明显的尺寸相关性,但不能根据试样厚度按比例计算,根据图3所示数据进行线性拟合,得到U钢、20钢、Q钢的冲击吸收能量估算公式分别如式(1)~(3)所示。
式中:CVN,t是试样厚度为t(t≤10mm)时的夏比冲击吸收能量。
由式(1)~(3)可知:每种材料的厚度-冲击吸收能量的相关系数不同,该系数由材料的显微组织、晶粒尺寸等本征属性决定,定量分析比较困难,但可以通过不同尺寸非标厚度试样的冲击吸收能量进行确定,也避免了传统按比例估算冲击吸收能量偏差较大的缺点。例如,根据式(1)可以估计U钢标准试样的冲击吸收能量为.5J。
3结论
(1)随着试样厚度的增加,冲击载荷突降趋势越来越显著,相对较薄的试样几乎没有冲击载荷突降现象,但试样厚度为20mm的Q钢的冲击载荷突降高达80%以上。
(2)当试样厚度≤10mm时,冲击吸收能量随试样厚度的增加总体呈线性变化,且不同材料冲击吸收能量随厚度变化的线性系数显著不同。当试样厚度10mm时,冲击吸收能量随厚度的增大偏离线性规律。
(3)随着厚度的增加,不同材料冲击吸收能量增量和断口形貌的变化不同,这一方面归因于不同材料具有不同的力学性能,另一方面归因于不同厚度试样的受力状态差异导致其断裂机制不同。
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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷7期(pp:18-22)
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