分享：试样厚度对结构钢冲击韧性的影响
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 U165和 Q275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 Q275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:TG113.25+4 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)07-0018-05
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/T229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方 法》、GB/T19748-2005 《钢材夏比 V 型缺口摆锤 冲击试验仪器化试验方法》、GB/T2650-2008 《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 V150及 U165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 U165和普通正火 钢 Q275,同时 引 用 了 文 献 [3]中 20 钢 的 数 据,与 U165钢和 Q275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/T229-2020,U165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 10 mm;Q275 钢原材料为板 材,冲击试样除了厚度为2.5,5,7.5 mm 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 NI500C 型数字显示冲击 试验机进行冲击试验,断口利用JSM-6390型扫描 电子显微镜(SEM)进行观察和分析。此外,GB/T 700-2006《碳 素 结 构 钢》对 试 样 厚 度 为 10,7.5, 5mm 的 Q275钢的冲击吸收能量值的要求分别是 不低于27,20,13.5J。U165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
U165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10000 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 Q275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10000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,U165钢和 Q275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 U165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 10849.7N突降到10157.4N;当t=7.5mm 时,载 荷 下 降 得 更 快,载 荷 从 15 100.6 N 突 降 到 10665.6N,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: Q275钢试样 厚 度 与 U165 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28755.6N 突降到4610.9N,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 U165、普通结 构钢 Q275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t>10mm 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 U165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 U165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 U165钢相比于 Q275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。 U165钢和 Q275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 U165钢,断裂韧性较差的 Q275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,U165钢和 Q275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,U165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 Q275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 Q275钢的晶粒尺寸具有对应关 系;当t=7.5mm 时,U165钢仅有少部分解理断口, 而 Q275钢几乎完全为解理断口,且 U165钢的解理面相比 Q275钢更小,小于 Q275钢的1/5。这是因为 U165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 U165钢、20 钢、Q275 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 U165钢标准 试样的冲击吸收能量为138.5J。
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 Q275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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