摘 要:采用沖擊試驗及掃描電鏡分析等方法研究了室溫下試樣厚度對 U165和 Q275結構鋼 夏比擺錘沖擊吸收能量的影響。結果表明:相對較薄的試樣不存在沖擊載荷突降現象,但試樣厚度 為20mm 的 Q275鋼的沖擊載荷突降高達80%以上;當試樣厚度≤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顯著不同;當試樣 厚度>10mm 時,沖擊吸收能量隨厚度增加偏離了線性規律;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制不同。對于 厚度不滿足標準試樣的材料,標準試樣的沖擊吸收能量可通過測試不同厚度的非標試樣,然后再用 擬合公式計算得到。
關鍵詞:結構鋼;沖擊吸收能量;試樣厚度;斷口形貌
中圖分類號:TG113.25+4 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)07-0018-05
鋼材的力學性能如強度、韌性等被視為衡量材 料結構安全的重要指標。沖擊韌性能夠反映材料經 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 境密切相關,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 量結果有顯著的影響[9-10]。研究結果表明:當試樣 具有相對較大的橫截面時,其往往呈現脆性斷裂;當 試樣具有相對較小的橫截面時,其傾向于呈現韌性斷裂,這是因為不同尺寸的試樣具有不同的應力狀 態,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]。
在實際應用中,許多材料尺寸較小,不能滿足 GB/T229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方 法》、GB/T19748-2005 《鋼材夏比 V 型缺口擺錘 沖擊試驗儀器化試驗方法》、GB/T2650-2008 《焊 接接頭沖擊試驗方法》對沖擊試樣尺寸的要求,如許 多新型納米結構金屬、金屬玻璃以及石油鉆桿所使 用的超高強度鋼級 V150及 U165等,很難達到沖擊 試樣的標準尺寸[10-11]。研究不同厚度的試樣與標 準試樣沖擊吸收能量之間的相關性,對工程材料的 選材、設計以及確保材料安全服役都具有重要意義。
1 試驗材料及方法
試驗材料為超高強度鉆桿鋼 U165和普通正火 鋼 Q275,同時 引 用 了 文 獻 [3]中 20 鋼 的 數 據,與 U165鋼和 Q275鋼的試驗結果進行對比分析,3種 鋼的力學性能如表1所示,夏比 V 型缺口試樣和平 行試樣均為3個。根據 GB/T229-2020,U165鋼 級鉆桿因管材壁厚限制,不能獲得厚度為10mm 的 標準 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 的標準尺寸試樣外,增加了厚度分別為15,20mm 的補充試樣,其他維度尺寸保 持不變。沖擊試驗采用 NI500C 型數字顯示沖擊 試驗機進行沖擊試驗,斷口利用JSM-6390型掃描 電子顯微鏡(SEM)進行觀察和分析。此外,GB/T 700-2006《碳 素 結 構 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鋼屬于超高強度鉆桿 鋼級,相關標準目前尚在制訂中。
2 試驗結果與分析
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)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對結構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, 當載荷達到最大值后,t=2.5mm 的試樣載荷隨著擺 錘位移的增加下降均勻;當t=5mm 時,試樣承受的 載荷發 生 突 降,如 圖 2a)中 的 A 點 所 示,載 荷 從 10849.7N突降到10157.4N;當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點所示。載荷突降意味著 沖擊裂紋迅速擴展,即裂紋前端的塑性變形不能舒 緩裂紋尖端的應力集中,發生裂紋急劇增加;由于裂 紋沿晶體平面擴展,很少發生塑性變形,從而宏觀表 現 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 的試樣也未出現載荷突降現象,當t= 20mm 時,載荷從28755.6N 突降到4610.9N,突 降幅度達最高載荷的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,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。超高強度鋼 U165、普通結 構鋼 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 倍數與沖擊吸收能量增加的倍數并非一致,如超高 強度鋼 U165試樣厚度增加了1倍,沖擊吸收能量 增加了近3倍,這是因為 U165鋼厚度的增加使其 不僅能承受更高的載荷,且可以發生更充分的變形, 使得預制的 V 型切口整體開裂,對應的位移顯著滯 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;同時也發現,盡管3種鋼材的力 學性能不同,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別,這是因為試樣厚度決定 了材料的應力狀態,當試樣厚度較小時,試樣受力更 傾向于平面應力狀態,試樣兩側更容易自由收縮,因 此更易發生塑性變形,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,導致不同材料沖擊 吸收能量區別不大。當試樣厚度相對較大時,由于 不同材料的斷裂韌性不同,厚度對應力狀態的影響 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)下更傾向于呈現為平面應力狀態;當 t=2.5mm 時,U165鋼和 Q275鋼的宏觀斷口形貌只 有纖維區和剪切唇區,微觀斷口形貌呈現為較均勻的 韌窩;當t=5mm 時,U165鋼的斷口為韌性斷口,宏 觀形貌只有纖維區和剪切唇區,微觀形貌呈現為韌 窩,但大小不一,分布不均勻,而 Q275鋼的斷口出現 放射區,微觀形貌呈現為解理斷口,部分解理面超過 60μm,與圖1c)中 Q275鋼的晶粒尺寸具有對應關 系;當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。這是因為 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,而是由極其細小的滲碳體顆粒均 勻分布在鐵素體基體上構成[13]。
通過以上分析可知:標準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性,但不能根 據試樣厚度按比例計算,根據圖3所示數據進行線 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 能量的相關系數不同,該系數由材料的顯微組織、晶 粒尺寸等本征屬性決定,定量分析比較困難,但可以 通過不同尺寸非標厚度試樣的沖擊吸收能量進行確定,也避免了傳統按比例估算沖擊吸收能量偏差較 大的缺點。例如,根據式(1)可以估計 U165鋼標準 試樣的沖擊吸收能量為138.5J。
3 結論
(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 降現象,但試樣厚度為20mm 的 Q275鋼的沖擊載 荷突降高達80%以上。
(2)當試樣厚度≤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顯著不同。當試樣 厚度>10mm 時,沖擊吸收能量隨厚度的增大偏離 線性規律。
(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性能,另一方面歸因于不同厚 度試樣的受力狀態差異導致其斷裂機制不同。
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