摘 要:采用沖擊試驗(yàn)及掃描電鏡分析等方法研究了室溫下試樣厚度對 U165和 Q275結(jié)構(gòu)鋼 夏比擺錘沖擊吸收能量的影響。結(jié)果表明:相對較薄的試樣不存在沖擊載荷突降現(xiàn)象,但試樣厚度 為20mm 的 Q275鋼的沖擊載荷突降高達(dá)80%以上;當(dāng)試樣厚度≤10mm 時,沖擊吸收能量隨試 樣厚度的增加總體呈線性變化,但不同材料沖擊吸收能量隨厚度變化的比例系數(shù)顯著不同;當(dāng)試樣 厚度>10mm 時,沖擊吸收能量隨厚度增加偏離了線性規(guī)律;此外,隨著厚度的增加,不同材料沖 擊吸收能量的增量和斷口形貌顯著不同,這歸因于材料的沖擊韌性及其沖擊斷裂機(jī)制不同。對于 厚度不滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣的材料,標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收能量可通過測試不同厚度的非標(biāo)試樣,然后再用 擬合公式計(jì)算得到。
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)鋼;沖擊吸收能量;試樣厚度;斷口形貌
中圖分類號:TG113.25+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)07-0018-05
鋼材的力學(xué)性能如強(qiáng)度、韌性等被視為衡量材 料結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)。沖擊韌性能夠反映材料經(jīng) 受沖擊載荷時抵抗斷裂的能力,揭示了材料的變脆 傾向,在工程實(shí)踐中具有重要意義。
材料的沖擊韌性與其微觀組織及所在的服役環(huán) 境密切相關(guān),主要包括晶粒尺寸[1]、第二相顆粒含量 和分布[2]、工件尺寸[3-4]、材料加工的熱處理方式[5-6] 以及溫度[7-8]等,其中工件尺寸對鋼材脆性和韌性測 量結(jié)果有顯著的影響[9-10]。研究結(jié)果表明:當(dāng)試樣 具有相對較大的橫截面時,其往往呈現(xiàn)脆性斷裂;當(dāng) 試樣具有相對較小的橫截面時,其傾向于呈現(xiàn)韌性斷裂,這是因?yàn)椴煌叽绲脑嚇泳哂胁煌膽?yīng)力狀 態(tài),其中工件的長度和寬度對材料脆性和韌性的影 響相對較小,所以尺寸通常指工件的厚度[9]。
在實(shí)際應(yīng)用中,許多材料尺寸較小,不能滿足 GB/T229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方 法》、GB/T19748-2005 《鋼材夏比 V 型缺口擺錘 沖擊試驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法》、GB/T2650-2008 《焊 接接頭沖擊試驗(yàn)方法》對沖擊試樣尺寸的要求,如許 多新型納米結(jié)構(gòu)金屬、金屬玻璃以及石油鉆桿所使 用的超高強(qiáng)度鋼級 V150及 U165等,很難達(dá)到?jīng)_擊 試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸[10-11]。研究不同厚度的試樣與標(biāo) 準(zhǔn)試樣沖擊吸收能量之間的相關(guān)性,對工程材料的 選材、設(shè)計(jì)以及確保材料安全服役都具有重要意義。
1 試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)材料為超高強(qiáng)度鉆桿鋼 U165和普通正火 鋼 Q275,同時 引 用 了 文 獻(xiàn) [3]中 20 鋼 的 數(shù) 據(jù),與 U165鋼和 Q275鋼的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,3種 鋼的力學(xué)性能如表1所示,夏比 V 型缺口試樣和平 行試樣均為3個。根據(jù) GB/T229-2020,U165鋼 級鉆桿因管材壁厚限制,不能獲得厚度為10mm 的 標(biāo)準(zhǔn) 試 樣,沖 擊 試 樣 采 用 厚 度 分 別 為 2.5,5, 7.5mm 的小尺寸試樣,其他維度尺寸保持不變,長 度為55mm,寬度為 10 mm;Q275 鋼原材料為板 材,沖擊試樣除了厚度為2.5,5,7.5 mm 的小尺寸 試樣和厚度為10mm 的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣外,增加了厚度分別為15,20mm 的補(bǔ)充試樣,其他維度尺寸保 持不變。沖擊試驗(yàn)采用 NI500C 型數(shù)字顯示沖擊 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),斷口利用JSM-6390型掃描 電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察和分析。此外,GB/T 700-2006《碳 素 結(jié) 構(gòu) 鋼》對 試 樣 厚 度 為 10,7.5, 5mm 的 Q275鋼的沖擊吸收能量值的要求分別是 不低于27,20,13.5J。U165鋼屬于超高強(qiáng)度鉆桿 鋼級,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前尚在制訂中。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 顯微組織分析
U165鋼的顯微組織晶粒尺寸很小,在光學(xué)顯 微鏡下較難識別[見圖1a)],用 SEM 將其顯微組織 放大至10000 倍,確定其顯微組織為回火索氏體 [見圖 1b)],該 組 織 通 常 具 有 良 好 的 綜 合 性 能。 圖1c)為 Q275鋼的顯微組織,其中深色為珠光體, 淺色為 鐵 素 體,其 中 鐵 素 體 含 量 (體 積 分 數(shù))約 為 80%,用SEM 將其顯微組織放大至10000倍,可以 觀察到珠光體、深色鐵素體和淺色滲碳體呈片層狀 交替分布[見圖1d)]。
2.2 試樣厚度對位移-載荷曲線的影響
試樣厚度t對結(jié)構(gòu)鋼的沖擊吸收能量具有顯著 影響,U165鋼和 Q275鋼在不同厚度下的位移-載荷 曲線如圖2所示。由圖2a)可知:對于 U165鋼來說, 當(dāng)載荷達(dá)到最大值后,t=2.5mm 的試樣載荷隨著擺 錘位移的增加下降均勻;當(dāng)t=5mm 時,試樣承受的 載荷發(fā) 生 突 降,如 圖 2a)中 的 A 點(diǎn) 所 示,載 荷 從 10849.7N突降到10157.4N;當(dāng)t=7.5mm 時,載 荷 下 降 得 更 快,載 荷 從 15 100.6 N 突 降 到 10665.6N,如圖2a)中B點(diǎn)所示。載荷突降意味著 沖擊裂紋迅速擴(kuò)展,即裂紋前端的塑性變形不能舒 緩裂紋尖端的應(yīng)力集中,發(fā)生裂紋急劇增加;由于裂 紋沿晶體平面擴(kuò)展,很少發(fā)生塑性變形,從而宏觀表 現(xiàn) 為 解 理 斷 口,耗 散 較 少 能 量。 由 圖 2b)可 知: Q275鋼試樣 厚 度 與 U165 鋼 具 有 相 似 的 趨 勢,即 t=2.5mm 的試樣也未出現(xiàn)載荷突降現(xiàn)象,當(dāng)t= 20mm 時,載荷從28755.6N 突降到4610.9N,突 降幅度達(dá)最高載荷的80%以上。
2.3 試樣厚度對沖擊吸收能量的影響
沖擊吸收能量是衡量材料韌性的一個重要指 標(biāo),表征了材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形能 量和斷裂能量的能力。超高強(qiáng)度鋼 U165、普通結(jié) 構(gòu)鋼 Q275及20鋼隨試樣厚度的增加,其沖擊吸收 能量的變化如圖3所示。由圖3可知:當(dāng)t≤10mm 時,沖擊吸收能量隨試樣厚度的增加總體呈線性增 加趨勢,然而當(dāng)t>10mm 時,則不再呈線性變化; 同時還可觀察到,對于同一種材料,試樣厚度增加的 倍數(shù)與沖擊吸收能量增加的倍數(shù)并非一致,如超高 強(qiáng)度鋼 U165試樣厚度增加了1倍,沖擊吸收能量 增加了近3倍,這是因?yàn)?U165鋼厚度的增加使其 不僅能承受更高的載荷,且可以發(fā)生更充分的變形, 使得預(yù)制的 V 型切口整體開裂,對應(yīng)的位移顯著滯 后(相對同一材料更薄的試樣),從而在更高載荷下, 能消耗更多的能量;同時也發(fā)現(xiàn),盡管3種鋼材的力 學(xué)性能不同,但3種鋼材在相對較小厚度下的沖擊 吸收能量沒有明顯的區(qū)別,這是因?yàn)樵嚇雍穸葲Q定 了材料的應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)試樣厚度較小時,試樣受力更 傾向于平面應(yīng)力狀態(tài),試樣兩側(cè)更容易自由收縮,因 此更易發(fā)生塑性變形,相比厚度更大的試樣,薄試樣 塑性變形能量所起的作用更大,導(dǎo)致不同材料沖擊 吸收能量區(qū)別不大。當(dāng)試樣厚度相對較大時,由于 不同材料的斷裂韌性不同,厚度對應(yīng)力狀態(tài)的影響 會越來越顯著[12]。
由于 U165鋼相比于 Q275鋼具有更好的沖擊 韌性和更高的屈服強(qiáng)度,所以具有更好的斷裂韌性。 U165鋼和 Q275鋼試樣在不同厚度下的沖擊斷口 形貌如圖4,5所示。由圖4,5可知:相比斷裂韌性好 的 U165鋼,斷裂韌性較差的 Q275鋼試樣在相同厚 度(t=7.5mm)下更傾向于呈現(xiàn)為平面應(yīng)力狀態(tài);當(dāng) t=2.5mm 時,U165鋼和 Q275鋼的宏觀斷口形貌只 有纖維區(qū)和剪切唇區(qū),微觀斷口形貌呈現(xiàn)為較均勻的 韌窩;當(dāng)t=5mm 時,U165鋼的斷口為韌性斷口,宏 觀形貌只有纖維區(qū)和剪切唇區(qū),微觀形貌呈現(xiàn)為韌 窩,但大小不一,分布不均勻,而 Q275鋼的斷口出現(xiàn) 放射區(qū),微觀形貌呈現(xiàn)為解理斷口,部分解理面超過 60μm,與圖1c)中 Q275鋼的晶粒尺寸具有對應(yīng)關(guān) 系;當(dāng)t=7.5mm 時,U165鋼僅有少部分解理斷口, 而 Q275鋼幾乎完全為解理斷口,且 U165鋼的解理面相比 Q275鋼更小,小于 Q275鋼的1/5。這是因?yàn)? U165鋼的顯微組織為回火索氏體,沒有整塊大的鐵 素體和珠光體晶粒,而是由極其細(xì)小的滲碳體顆粒均 勻分布在鐵素體基體上構(gòu)成[13]。
通過以上分析可知:標(biāo)準(zhǔn)試樣及不同尺寸試樣 的沖擊吸收能量具有明顯的尺寸相關(guān)性,但不能根 據(jù)試樣厚度按比例計(jì)算,根據(jù)圖3所示數(shù)據(jù)進(jìn)行線 性擬合,得到 U165鋼、20 鋼、Q275 鋼的沖擊吸收 能量估算公式分別如式(1)~(3)所示。
式中:CVN,t 是試樣厚度為t(t≤10mm)時的夏比沖 擊吸收能量。
由式(1)~(3)可知:每種材料的厚度-沖擊吸收 能量的相關(guān)系數(shù)不同,該系數(shù)由材料的顯微組織、晶 粒尺寸等本征屬性決定,定量分析比較困難,但可以 通過不同尺寸非標(biāo)厚度試樣的沖擊吸收能量進(jìn)行確定,也避免了傳統(tǒng)按比例估算沖擊吸收能量偏差較 大的缺點(diǎn)。例如,根據(jù)式(1)可以估計(jì) U165鋼標(biāo)準(zhǔn) 試樣的沖擊吸收能量為138.5J。
3 結(jié)論
(1)隨著試樣厚度的增加,沖擊載荷突降趨勢 越來越顯著,相對較薄的試樣幾乎沒有沖擊載荷突 降現(xiàn)象,但試樣厚度為20mm 的 Q275鋼的沖擊載 荷突降高達(dá)80%以上。
(2)當(dāng)試樣厚度≤10mm 時,沖擊吸收能量隨 試樣厚度的增加總體呈線性變化,且不同材料沖擊 吸收能量隨厚度變化的線性系數(shù)顯著不同。當(dāng)試樣 厚度>10mm 時,沖擊吸收能量隨厚度的增大偏離 線性規(guī)律。
(3)隨著厚度的增加,不同材料沖擊吸收能量 增量和斷口形貌的變化不同,這一方面歸因于不同 材料具有不同的力學(xué)性能,另一方面歸因于不同厚 度試樣的受力狀態(tài)差異導(dǎo)致其斷裂機(jī)制不同。
參考文獻(xiàn):
[1] CHENJ,DONG F T,LIU Z Y,etal.Grainsize dependence of twinning behaviors and resultant cryogenic impact toughness in high manganese austeniticsteel[J].JournalofMaterialsResearchand Technology,2021,10:175-187.
[2] ZHANG W,ZHU W,PENG Y H,etal.Effectsof secondphasesoncharpyimpactenergyandcrack propagationbehaviorofhastelloy Nsheetusingfor moltensaltreactor[J].Key Engineering Materials, 2020,842:135-142.
[3] 吳令萍,陳迎鋒,侯世穎,等.管線鋼沖擊吸收功測量 的尺寸效應(yīng)[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2008,44(6): 299-302.
[4] 丁陽.試樣厚度對夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響[J].理化 檢驗(yàn)(物理分冊),2021,57(3):46-49.
[5] 董富軍,王瑞珍,楊才福,等.熱處理工藝對 XG630DR 鋼板組織與力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝,2019, 48(18):133-136.
[6] 吳正環(huán),谷歷文,黃歷鋒,等.典型熱處理后不同冷作 模具鋼的殘余奧氏體及對沖擊韌性和尺寸穩(wěn)定性的 影響[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2021,57(10):1-5.
[7] KRYZHANIVSKYY Y, POBEREZHNY L, MARUSCHAKP,etal.Influenceoftesttemperature onimpacttoughnessofX70 pipesteelwelds[J]. ProcediaStructuralIntegrity,2019,16:237-244.
[8] 丁一明,許天旱,林宏.溫度對 U165超高強(qiáng)度鉆桿鋼 沖擊韌性的影 響 [J].鋼 鐵 研 究 學(xué) 報,2019,31(12): 1086-1091.
[9] 陳靜華.大厚度金屬材料沖擊試驗(yàn)研究[D].杭州:浙 江大學(xué),2016.
[10] DESANDRED A,BENZERGA A A,TVERGAARD V,etal.MaterialinertiaandsizeeffectsintheCharpy V-Notchtest[J].EuropeanJournalofMechanics-A/ Solids,2004,23(3):373-386.
[11] DUAN Q Q,QU R T,ZHANG P,etal.Intrinsic impacttoughnessofrelativelyhighstrengthalloys [J].ActaMaterialia,2018,142:226-235.
[12] 邱曉剛,楊勇.沖擊試樣尺寸與韌-脆轉(zhuǎn)變過程的試驗(yàn) 研究[J].理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊),2004,40(12):599- 602.
[13] PINEAU A,BENZERGA A A,PARDOEN T. FailureofmetalsI:brittleandductilefracture[J]. ActaMaterialia,2016,107:424-483