丁 (上海電氣核電設備有限 陽 公司,上海 201306)

摘 要:通過不同溫度下的夏比擺錘沖擊試驗對非標準小尺寸 V 型缺口沖擊試樣的沖擊吸收能 量和側膨脹值進行了分析,并結合力-位移曲線,研究了試樣厚度對沖擊試驗結果的影響。結果表 明:當試驗溫度高于韌脆轉變溫度時,沖擊吸收能量與試樣的橫截面積有關,因此與厚度呈線性關 系;而低于韌脆轉變溫度時,沖擊吸收能量與試樣厚度之間沒有明顯關系;試樣的側膨脹值、剪切斷 面率與厚度之間沒有直接聯系。隨著試樣厚度的減小,不穩定裂紋擴展起始力越來越小,從而導致 沖擊吸收能量減小。厚度越大試樣吸收的能量越多,沖擊過程中所受到的最大力也越大。

關鍵詞:小尺寸試樣;沖擊吸收能量;側膨脹值;示波沖擊;力-位移曲線 中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)03-0046-04

沖擊試驗因其試樣加工簡便,試驗時間短,試驗 數據對材料組織結構、冶金缺陷等敏感而成為評價 金屬材料沖擊韌性應用最廣泛的一種傳統力學性能 試驗,也是評定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要 手段之一[1],其中夏比沖擊試驗是目前工業標準化 程度最高的材料低溫韌性評價方法[2]。在實際的試 樣加 工 中,由 于 某 些 薄 板 的 厚 度 不 夠,無 法 制 取 10mm×10mm 標準尺寸的夏比沖擊試樣[3],不得不 考慮采用10mm×7.5mm,10mm×5mm 等小尺寸 試樣來進行沖擊試驗[4]。小尺寸試樣的沖擊試驗結 果對保證材料質量具有重要意義,目前相關研究主要 集中在材料的沖擊上平臺吸收能量,即全塑性斷口, 而對于其他溫度的研究較少,為分析材料在不同溫度 下試樣厚度對于沖擊試驗結果的影響規律,筆者采用 小尺寸試樣進行了一系列的試驗和研究。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與試驗設備

沖擊試驗使用某鍛件廠提供的材料各項性能均勻的SA508-3 鋼,將其加工成 10 mm×10 mm× 55mm,10 mm ×7.5 mm ×55 mm,10mm× 6.7mm×55mm,10mm×5mm×55mm 等4種厚 度的沖擊試樣;試驗采用 RKP450IWI型全自動高低 溫示波沖擊試驗機,其最大沖擊吸收能量為450J。

1.2 標準對小尺寸試樣

沖擊吸收能量的要求 ASTM A673/A673M - 2017 Standard SpecificationforSamplingProcedureforImpact TestingofStructuralSteel 對不同尺寸試樣的沖 擊吸收能量的要求如表1所示。 根據表1可知,標準對沖擊吸收能量的要求與 試樣的厚度呈正比,而對于試樣的側膨脹值及剪切 斷面率,則沒有具體的要求[5]。

1.3 試驗方法

首先用加工后的一批落錘試樣測試該材料的無 延性 轉 變 溫 度 (TNDT)[6],當 落 錘 試 驗 進 行 到 -40 ℃時,落錘試樣斷裂,而-35 ℃時兩個試樣均 未斷 裂,由 ASTM E208-2017 Standard Test Method for Conducting Drop-Weight Test to DetermineNil-DuctilityTransitionTemperature ofFerriticSteels可知該材料的 TNDT 為-40 ℃。 選取-60~60 ℃作為沖擊試驗溫度,每間隔20 ℃ 為一個梯度設置沖擊試驗溫度,并在每個溫度梯度 下分別對上述4種不同尺寸的兩個試樣進行沖擊試 驗,測量并記錄試樣的沖擊吸收能量、側膨脹值及剪 切斷面率等試驗數據。

2 試驗結果

2.1 試樣厚度對沖擊吸收能量的影響

不同厚 度 試 樣 的 沖 擊 吸 收 能 量-溫 度 曲 線 如 圖1所示;不同厚度試樣的沖擊吸收能量比值與試 樣厚度關系如圖2所示,其中尺寸比值折線所對應的是4種尺寸試樣厚度與標準尺寸試樣厚度的比 值,即1,0.75,0.67,0.5,其余7條折線代表的是在 不同溫度下4種尺寸試樣的沖擊吸收能量與標準尺 寸試樣的沖擊吸收能量比值。

由圖1可知,4條曲線在-40 ℃左右出現了明 顯的不同,具體表現為隨試樣厚度增加,曲線斜率明 顯增大,這是因為此時的溫度處于該材料的韌脆轉 變溫度。通常此轉變溫度被定義為吸收能量突然增 加(或減少)時對應的溫度,此時斷裂模式由韌性斷 裂轉為脆性斷裂[3]。同時,4條曲線出現較大能量 變化的溫度范圍基本相同,即改變沖擊試樣的厚度 并不會影響到通過沖擊吸收能量-溫度曲線得出的 該材料的韌脆轉變溫度。 由圖2可知,當試驗溫度高于該材料的韌脆轉 變溫度,即處于上平臺溫度時,各條沖擊吸收能量比 值折線與尺寸比值折線相互重合,即沖擊吸收能量 與試樣厚度之間呈線性關系。是因為此時沖擊試樣 為韌性斷裂,而韌性斷裂時沖擊吸收能量受其他因 素影響較小,僅和試樣的橫截面積有關。 當試 驗 溫 度 降 低 到 材 料 的 韌 脆 轉 變 溫 度 (-40 ℃)時,沖擊吸收能量比值折線開始偏離尺寸 比值折線,即沖擊吸收能量與試樣厚度之間沒有線 性關系,此時沖擊試樣屬于脆性斷裂。由于幾乎不 產生塑性變形,橫截面積對于沖擊吸收能量的影響 可以忽略不計,甚至當沖擊試樣厚度增大時,試樣的 力學約束程度增加,從而降低了沖擊吸收能量,這也 解釋了為什么在-60~-40 ℃時,試樣的沖擊吸收能量幾乎沒有變化。

2.2 試樣厚度對側膨脹值的影響

不同厚度試樣的側膨脹值-溫度曲線如圖3所 示,可知隨著試驗溫度的升高,側膨脹值也增大,但 是在任一個溫度下,不同厚度試樣的側膨脹值相差 很小,這也意味著側膨脹值對于某個具體的材料來 說是一個穩定的常數,僅僅與試驗溫度有關,而與試 樣的厚度沒有明顯的關系。通常定義的側膨脹值指 的是沖擊試樣斷裂后斷口兩側最大膨脹量之和[7]。 而產生側膨脹的原因是當材料在沖擊過程中受到平 面應力時,會產生裂紋,裂紋擴展向外擠壓,對于不 同厚度的試樣來說,無論是脆性或韌性斷裂,裂紋擴 展能量總是相同的,所以側膨脹值也不變。

2.3 試樣厚度對剪切斷面率的影響

不同厚度試樣的剪切斷面率-溫度曲線如圖 4 所示,可見4種厚度試樣的曲線斜率在-40 ℃時發 生劇烈的變化,即試驗溫度低于韌脆轉變溫度時,剪切斷面率也會迅速降低。而4條曲線相互之間的差 異同側膨脹值曲線的基本一致,也說明了剪切斷面 率和試樣厚度之間沒有明顯的關系。

2.4 試樣厚度對特征值的影響

圖5為20 ℃時4種不同厚度試樣的力-位移 曲線,在力-位移曲線中,沖擊吸收能量 Wt 就是曲 線和橫坐標之間的面積[8]。觀察4條曲線可以發 現,隨著試樣厚度的減小,曲線和橫坐標之間的面 積也在逐漸減小,即沖擊吸收能量 Wt 減 小;另 一 個特征值最大力 Fm 是沖擊試樣在沖擊試驗過程 中受到的最大力,由曲線可以看出,試樣吸收的能 量越大,則 沖 擊 過 程 中 所 受 到 的 最 大 力 也 越 大。 隨厚度的 減 小,不 穩 定 裂 紋 擴 展 起 始 力 Fiu,即 曲 線在最大力之后開始急劇下降的力,也越來越小, 導致試樣產 生 的 裂 紋 擴 展 能 量 也 越 小,從 而 導 致 沖擊吸收能量減小。

2.5 試樣厚度對斷口形貌的影響

圖6是試驗溫度為20 ℃時不同厚度試樣沖擊 斷口的宏觀形貌,可見對于不同厚度的試樣,斷口形 貌基本相同,均為韌性斷裂,結合圖3的側膨脹值曲 線發現,斷口與試樣的厚度并無直接聯系,與前文通 過曲線得出的結論吻合。

3 結論

(1)當試驗溫度高于韌脆轉變溫度時,沖擊吸 收能量與試樣的橫截面積有關,因此與厚度呈線性 關系。而低于韌脆轉變溫度時,沖擊吸收能量與試 樣厚度之間沒有明顯關系。 (2)試樣的側膨脹值、剪切斷面率、斷口形貌與 厚度之間沒有直接聯系。 (3)隨著試樣厚度的減小,不穩定裂紋擴展起 始力越來越小,導致試樣產生的裂紋擴展能量也越 小,從而導致沖擊吸收能量減小。厚度越大,試樣吸 收的能量越多,沖擊過程中所受到的最大力也越大。

來源：材料測試網