兩種鋼夏比V型沖擊試驗(yàn)裂紋形成能量與擴(kuò)展能量之間的關(guān)系

敬仕煜 劉學(xué)政 劉 霞 鐘 揚(yáng)

(1. 東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司, 自貢 643001；2. 機(jī)械工業(yè)高溫高壓材料與焊接工程實(shí)驗(yàn)室, 自貢 643001)

金屬材料的冷脆及韌脆轉(zhuǎn)變是一個(gè)非常重要的特性，也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題。評(píng)價(jià)冷脆的方法很多，其中夏比V型沖擊試驗(yàn)最簡(jiǎn)便、應(yīng)用最廣泛。沖擊斷裂是裂紋形成與擴(kuò)展的結(jié)果，對(duì)應(yīng)裂紋形成能量Wi和裂紋擴(kuò)展能量Wp。研究?jī)刹糠帜芰恐g的關(guān)系，誰主導(dǎo)或控制總沖擊吸收能量的變化，以及二者隨溫度的變化規(guī)律，將對(duì)材料冷脆抗力的判據(jù)及其提高途徑提供有益的依據(jù)。

承壓設(shè)備特別是低溫壓力容器曾出現(xiàn)過不少重大脆斷事故，所以設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都格外重視材料的韌性及其韌脆轉(zhuǎn)變。筆者以兩種承壓設(shè)備用鋼為對(duì)象(Q245R鋼和13MnNiMoR鋼,這兩種材料均具有明顯冷脆傾向，且一個(gè)強(qiáng)度較低，一個(gè)較高，可較好地代表壓力容器用鋼系列)，采用儀器化沖擊試驗(yàn)方法，進(jìn)行不同溫度下的系列沖擊試驗(yàn)，以探討裂紋形成能量與裂紋擴(kuò)展能量之間的關(guān)聯(lián)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為承壓設(shè)備用Q245R鋼和13MnNiMoR鋼，這兩種材料的化學(xué)成分如表1所示，符合GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》對(duì)Q245R鋼和13MnNiMoR鋼的成分要求。前者為碳鋼鋼板，厚25 mm，正火態(tài)，顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7.5級(jí)；后者屬合金鋼鋼板，厚145 mm，顯微組織為貝氏體+鐵素體，晶粒度8.5級(jí)。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the test materials (mass fraction) %

1.2 試樣制備

試樣沿鋼板橫向截取，Q245R鋼試樣取自鋼板厚度1/2處，13MnNiMoR鋼取自鋼板厚度1/4處，V型缺口垂直于鋼板表面，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。試樣表面使用磨床磨光，再使用專用成形銑刀加工缺口，放置于投影儀下放大50×檢查，缺口底部高度為(8±0.025) mm，加工質(zhì)量符合GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共分為兩個(gè)大組進(jìn)行，如表2所示。試驗(yàn)方法按GB/T 19748—2005《鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗(yàn) 儀器化試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為德國(guó)Zwick/Roell儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為RKP450，擺錘刀刃2 mm，錘頭最大沖擊能量450 J，沖擊速度5.2 m·s-1，低溫冷卻介質(zhì)為酒精，室溫以上加熱介質(zhì)為水，用數(shù)顯溫度計(jì)測(cè)溫，不給予溫度補(bǔ)償，試樣從介質(zhì)中移出到打斷時(shí)間為5 s內(nèi)。試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集載荷-位移曲線，識(shí)別沖擊曲線特征點(diǎn)，記錄沖擊吸收能量KV2，并分拆為裂紋形成能量Wi和裂紋擴(kuò)展能量WP，試驗(yàn)結(jié)束后，還需要測(cè)量韌性斷面率。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Test scheme

沖擊試驗(yàn)是在動(dòng)載下進(jìn)行，誤差來源較多，試驗(yàn)結(jié)果可能存在離散。基于此，為盡可能消除外因干擾，每一試驗(yàn)溫度下試驗(yàn)9個(gè)試樣，并在數(shù)據(jù)處理時(shí)去除一個(gè)最高值和一個(gè)最低值。雖然這樣的處理方式欠嚴(yán)謹(jǐn)，但仍可視為減少試驗(yàn)誤差的簡(jiǎn)單方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖1為Q245R鋼夏比V型沖擊試驗(yàn)的結(jié)果，圖2為13MnNiMoR鋼夏比V型沖擊試驗(yàn)的結(jié)果。圖中反映沖擊吸收能量KV2與溫度t關(guān)系的KV2-t曲線、反映裂紋形成能量Wi與溫度t關(guān)系的Wi-t曲線采用手工擬合。鑒于KV2=Wi+Wp(后文將述及)，未繪制裂紋擴(kuò)展能量Wp與溫度t關(guān)系的WP-t曲線。表3和表4分別為Q245R鋼和13MnNiMoR鋼的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果平均值。

圖1 Q245R鋼沖擊吸收能量與溫度的關(guān)系Fig.1 The relationship between impact absorption energy and temperature of Q245R steel

圖2 13MnNiMoR鋼沖擊吸收能量與溫度的關(guān)系Fig.2 The relationship between impact absorption energy and temperature of 13MnNiMoR steel

表3 Q245R鋼夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果(平均值)Tab.3 Charpy impact test results of Q245R steel (average value)

表4 13MnNiMoR鋼夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果(平均值)Tab.4 Charpy impact test results of 13MnNiMoR steel (average value)

3 分析與討論

3.1 Wi與Wp的確定方法

儀器化沖擊試驗(yàn)記錄了試驗(yàn)過程的載荷-位移曲線，提供了缺口根部鈍化、拉長(zhǎng)、裂紋形成與擴(kuò)展等不同階段沖擊能量的變化信息，載荷-位移曲線是試樣靜態(tài)斷面特征在裂紋行為上的動(dòng)態(tài)反映，因此儀器化沖擊曲線各階段變化與沖擊斷口形貌有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1]。根據(jù)載荷-位移曲線，考慮疊加在曲線上的信號(hào)震蕩，可以擬合再現(xiàn)屈服力Fgy、最大力Fm、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu等特征值，并可將一次沖擊斷裂的沖擊吸收能量KV2進(jìn)行拆分。此外，相關(guān)爭(zhēng)議也仍然存在，主要是各特征值的物理意義、裂紋萌生或裂紋形成的時(shí)機(jī)以及按載荷參量定義吸收能量等[2-4]。

多數(shù)研究者認(rèn)為，當(dāng)載荷達(dá)到最大力Fm時(shí)，裂紋在缺口處出現(xiàn)，裂紋萌生與缺口處一定范圍內(nèi)塑性變形相關(guān)，因此把沖擊最大力Fm作為裂紋形成的依據(jù)。之后，載荷逐漸下降，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)斷口上的指甲狀纖維區(qū)域。再之后，載荷急劇下降，裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展，對(duì)應(yīng)斷口上的晶狀平斷區(qū)。GB/T 19748—2005亦采用這一觀點(diǎn)，把最大力之前消耗的能量稱為裂紋形成能量Wi，最大力之后消耗的能量稱為裂紋擴(kuò)展能量Wp。圖3示意了本次試驗(yàn)中Wi和Wp的確定方法，試驗(yàn)機(jī)自帶軟件讀取，且KV2=Wi+Wp。

圖3 沖擊試驗(yàn)曲線Wi和Wp的確定方法Fig.3 Wi and Wp determination method of impact test curve

順便說明，Wp可進(jìn)一步細(xì)分為穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量(從Fm至Fiu)、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量和拉延撕裂能量(從Fiu至試樣斷裂)。通常，由于后兩部分能量很小，且裂紋快速擴(kuò)展，失效已成事實(shí)，研究得不多。在本次試驗(yàn)中，Wp將作為一個(gè)整體項(xiàng)進(jìn)行討論。要注意的是，低溫時(shí)，Wp值很小，如表3～表4中低溫區(qū)段。此時(shí)，穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量為0，Wp代表的恰恰是后兩部分的能量，這很容易從沖擊試驗(yàn)曲線中分辨出來。

3.2 各類沖擊值與溫度關(guān)系及其相互關(guān)系

3.2.1 裂紋形成能量Wi與溫度的關(guān)系

由圖1和圖2可知，反映沖擊吸收能量與溫度關(guān)系的KV2-t曲線呈S形，與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007中所示韌脆轉(zhuǎn)變曲線吻合良好，呈現(xiàn)上平臺(tái)區(qū)、轉(zhuǎn)變區(qū)、下平臺(tái)區(qū)。反映裂紋形成能量與溫度關(guān)系的Wi-t曲線亦呈S形，但是這兩條S曲線卻不同步。

對(duì)于Q245R鋼，在KV2-t曲線上平臺(tái)區(qū)以及緊鄰上平臺(tái)的轉(zhuǎn)變區(qū)范圍內(nèi)(t≥0 ℃)，Wi基本不隨t變化，表現(xiàn)為一恒定值，約57 J。同樣，對(duì)于13MnNiMoR鋼，在上平臺(tái)區(qū)以及緊鄰上平臺(tái)的轉(zhuǎn)變區(qū)范圍內(nèi)(t≥-20 ℃)，Wi基本恒定，約72 J。

鄢文彬等[5]研究了40Cr鋼和20Cr鋼在低溫下沖擊斷裂時(shí)的裂紋萌生與擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)范圍內(nèi)，裂紋形成能量變化不大，或基本保持恒定。這一結(jié)果與本次試驗(yàn)結(jié)果相似，所不同的是，本次試驗(yàn)觀察到的Wi基本恒定的溫度區(qū)間，僅在韌脆轉(zhuǎn)變曲線上平臺(tái)區(qū)以及緊鄰區(qū)域，而不是整個(gè)韌脆轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)。

裂紋形成能量Wi基本恒定的原因尚不清楚，也未見相關(guān)報(bào)道，筆者嘗試以沖擊試驗(yàn)曲線的變化來探討這一問題。圖4和圖5分別為Q245R鋼和13MnNiMoR鋼的典型載荷-位移曲線，可見隨著溫度降低，屈服力Fgy明顯上升，載荷-位移曲線整體升高；同時(shí)，位移減小，表明試樣變形減小。沖擊曲線隨溫度的變化規(guī)律，與低溫拉伸試驗(yàn)基本一致。儀器化沖擊獲得的屈服力Fgy與單軸拉伸獲得的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度Rpd具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)特征[6]。

圖4 不同溫度下Q245R鋼的沖擊試驗(yàn)曲線Fig.4 Q245R steel tensile test curve at different temperatures

圖5 不同溫度下13MnNiMoR鋼的沖擊試驗(yàn)曲線Fig.5 13MnNiMoR steel tensile test curve at different temperatures

沖擊吸收能量是載荷與變形(包括彈性變形和塑性變形，且通常以塑性變形為主，以下以塑性變形代指總變形)的函數(shù)，即載荷和加載點(diǎn)位移的積分，二者的變化決定載荷-位移曲線的形態(tài)。對(duì)于Q245R鋼，當(dāng)t≥0 ℃時(shí)，如0, 20 ℃兩條曲線，具有明顯的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段。0 ℃曲線的屈服力Fgy、最大力Fm明顯高于20 ℃曲線的，而最大力Fm出現(xiàn)的時(shí)間則早于20 ℃曲線的。以兩條曲線各自最大力作為參考點(diǎn)，則一個(gè)載荷高、塑性低，另一個(gè)載荷低、塑性好，兩方面因素共同作用，導(dǎo)致最大力Fm下的面積積分基本相同，即Wi基本恒定。同樣，對(duì)于13MnNiMoR鋼，對(duì)比0, 40 ℃兩條曲線，基本與Q245R鋼完全一致，Wi亦基本恒定?？傊茉囼?yàn)溫度影響，試樣缺口處一定范圍強(qiáng)度、塑性同時(shí)變化，二者互為因果，相輔相成，影響著裂紋形成時(shí)間，致使裂紋形成能量Wi基本恒定。

由圖1和圖2還可知，隨著試驗(yàn)溫度進(jìn)一步降低，Wi-t曲線從上平臺(tái)進(jìn)入轉(zhuǎn)變區(qū)，Wi快速減小，并逐步與KV2-t曲線同步。這一階段，表征著裂紋擴(kuò)展能量Wp首先被耗盡(或Wp趨近于0)，KV2的下跌主要或全部由Wi構(gòu)成。追溯到?jīng)_擊試驗(yàn)曲線上，如圖4中-20，-40 ℃曲線，圖5中-40，-60 ℃曲線，低的溫度致使包括屈服力在內(nèi)的載荷曲線升高，塑性變形急劇減小，載荷的升高不足以彌補(bǔ)塑性的減小，導(dǎo)致最大力下面積積分迅速減少，Wi明顯減小。

溫度再下降，試樣完全脆化，缺口底部塑性區(qū)尺寸進(jìn)一步減小，甚至可能減小到晶粒大小的數(shù)量級(jí)，Wi很小并趨近于0，Wi-t曲線進(jìn)入下平臺(tái)，并與KV2-t曲線交織在一起。

3.2.2 裂紋形成能量Wi與裂紋擴(kuò)展能量Wp的關(guān)系

溫度對(duì)鋼的特性以及夏比V型沖擊缺口行為的影響十分顯著。隨著溫度降低，斷裂從韌性轉(zhuǎn)為脆性，斷口形貌從韌窩轉(zhuǎn)為準(zhǔn)解理、解理。反映到載荷-位移曲線上，則曲線形態(tài)改變，各物理參量特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的能量值改變。

在KV2-t曲線上平臺(tái)區(qū)，KV2達(dá)到極值且波動(dòng)較小，KV2=Wi+Wp，Wi基本恒定，則Wp也波動(dòng)較小。不過，載荷-位移曲線的形態(tài)卻有變化。溫度升高，載荷有下降趨勢(shì)，而塑性變形則有增長(zhǎng)趨勢(shì)。此外，不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu逐漸不明顯或消失，標(biāo)志著試樣不再發(fā)生裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展現(xiàn)象，表現(xiàn)為百分之百韌性斷裂。

離開上平臺(tái)，進(jìn)入轉(zhuǎn)變區(qū)。剛開始，如圖1和圖2所示，Wi仍然恒定，KV2減少消耗Wp，載荷-位移曲線中穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段明顯縮短，如圖4和圖5所示。接下來，穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段消失，載荷升高途中，名義屈服應(yīng)力疊加應(yīng)力集中效應(yīng)到達(dá)或超過材料強(qiáng)度，斷裂發(fā)生，Wi開始減少。

總體來說，材料的韌脆轉(zhuǎn)變可以這樣來描述：在KV2-t曲線的上平臺(tái)溫度區(qū)間，Wi基本恒定，KV2和Wp波動(dòng)較小。接下來，隨溫度下降，Wp減少主導(dǎo)KV2減少，Wi仍然保持恒定。之后，Wp消耗殆盡，Wi主導(dǎo)KV2減少，直至Wi耗盡。對(duì)應(yīng)到斷口形貌上，材料從百分之百韌性斷裂，轉(zhuǎn)入韌性為主、脆性為主，直至完全脆化。這一過程說明，材料從韌向脆的轉(zhuǎn)變，始作俑者是裂紋擴(kuò)展能量Wp的轉(zhuǎn)變，這是材料韌脆轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵或本質(zhì)所在。

有研究表明，在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間，或上平臺(tái)，試樣的止裂性能由裂紋擴(kuò)展能量主導(dǎo)[7]。在這個(gè)溫度范圍，沖擊加載最大力Fm高于較低的屈服力Fgy，試樣發(fā)生顯著的彎曲變形，缺口根部拉長(zhǎng)形成孔洞等微裂紋的過程基本一致。沖擊吸收能量KV2的高低主要反映在裂紋擴(kuò)展的阻力行為上。而在下平臺(tái)區(qū)，或靠近下平臺(tái)區(qū)，材料因冷脆影響，缺口根部易發(fā)生線彈性脆斷，與應(yīng)力強(qiáng)度因子有關(guān)的屈服力急劇升高，沖擊力高于屈服力即發(fā)生解理斷裂，此時(shí)沖擊吸收能量KV2主要由裂紋形成能量決定。

3.3 材料冷脆抗力判據(jù)及提高途徑的一點(diǎn)思考

工程實(shí)踐中，為確保設(shè)備安全，防止材料冷脆斷裂，在綜合考慮服役條件基礎(chǔ)上，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都提出了冷脆抗力判據(jù)，且通常是對(duì)夏比V型沖擊吸收能量要求。

一般來說，鋼的韌性是強(qiáng)度與塑性的綜合體現(xiàn)，而強(qiáng)度與塑性往往是一對(duì)矛盾體。對(duì)于材料工作者來說，如何在強(qiáng)度與塑性之間找到最佳契合點(diǎn)，并有效韌化，成為關(guān)乎設(shè)備安全和推動(dòng)材料進(jìn)步的重要途徑之一。

沖擊試驗(yàn)的載荷-位移曲線，其本身就是強(qiáng)度與塑性的關(guān)系。與拉伸試驗(yàn)中強(qiáng)度與塑性的區(qū)別，僅在于彎曲動(dòng)載荷一次沖擊下的缺口效應(yīng)與行為，例如抑制主應(yīng)力方向的與變形相聯(lián)系的多向應(yīng)力、缺口底部的應(yīng)力集中等。沖擊曲線定量解析了強(qiáng)度及韌性，能夠?yàn)椴牧铣煞峙浔取④堉乒に?、熱處理制度制定提供客觀詳實(shí)的依據(jù)[8]。

由表3和表4可知，兩種材料的最大裂紋形成能量Wi，也就是前文提到的基本恒定值，分別為57 J和72 J左右。而規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于沖擊吸收能量KV2的要求值一般不高于47 J。那么，是否可以認(rèn)為，裂紋形成能量已經(jīng)足夠，裂紋擴(kuò)展能量已屬過剩呢？對(duì)于這樣的看法，筆者有不同意見。以Q245R鋼為例，KV2為57 J時(shí)，其沖擊試驗(yàn)曲線大致相當(dāng)于圖4中的-20 ℃曲線，或者-20 ℃與-40 ℃曲線之間的曲線，KV2值主要或全部由Wi構(gòu)成。此時(shí)，缺口處塑性變形受到約束，材料發(fā)生整體屈服而應(yīng)力升高，裂紋剛剛形成，斷裂突然發(fā)生。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這樣方式的斷裂，隨機(jī)性很大，材料的韌性裕度、或者說容錯(cuò)能力都較低。

筆者認(rèn)為，符合期望的材料，應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段。也就是說，裂紋擴(kuò)展能量Wp應(yīng)保持一個(gè)合適值。當(dāng)然，也并非說穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段越寬越好，Wp值越大越好，因?yàn)檫@可能犧牲了材料的強(qiáng)度。按照這樣的觀點(diǎn)，可以對(duì)本試驗(yàn)中兩種材料的韌性控制水平作一個(gè)初步的評(píng)價(jià)。

對(duì)Q245R鋼，沖擊試驗(yàn)溫度為0 ℃時(shí)，其具有一定裕度的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段，Wp為51 J，韌性斷面率為59%，材料韌性控制良好。對(duì)13MnNiMoR鋼，沖擊試驗(yàn)溫度為0 ℃時(shí)，穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段較寬，Wp為105 J，韌性斷面率為76%，說明韌性裕度太大，材料強(qiáng)度還有提升空間，可進(jìn)一步優(yōu)化，比如對(duì)化學(xué)成分碳、錳予以調(diào)整。

4 結(jié)論

Q245R鋼和13MnNiMoR鋼在韌脆轉(zhuǎn)變KV2-t曲線的上平臺(tái)以及緊鄰轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度范圍內(nèi)，裂紋形成能量Wi不隨溫度變化而變化，基本恒定,但13MnNiMoR鋼的值高于Q245R的。材料的韌脆轉(zhuǎn)變，始于裂紋擴(kuò)展能量Wp轉(zhuǎn)變，其是主導(dǎo)材料由韌向脆的關(guān)鍵。