示波沖擊曲線淺析

李小陶

[蘇伊士水務(wù)技術(shù)(上海)有限公司, 上海 201210]

20世紀(jì)60年代，人們開始嘗試把擺錘沖擊試驗(yàn)得到的載荷-撓度(P-δ)曲線進(jìn)行拆分。其中的代表性辦法，是將示波器拍攝的P-δ曲線打印成相片，沿曲線剪下，在分析天平上稱出相紙的質(zhì)量，按比例算出各區(qū)域的沖擊能量。在今天看來(lái)，這些工作原始而粗糙，但正是這樣的努力，促成了沖擊試驗(yàn)的儀器化發(fā)展。目前，由微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)得到的沖擊載荷-位移曲線已經(jīng)非常精準(zhǔn)，這給相關(guān)研究創(chuàng)造了有利條件。筆者簡(jiǎn)要概述了示波沖擊曲線及其主要物理特征點(diǎn)，并以13MnNiMoR鋼板為例，開展系列溫度下示波沖擊試驗(yàn)，分析載荷-位移曲線變化，并將這些變化與材料韌脆轉(zhuǎn)變、斷口形貌等相聯(lián)系。

1 示波沖擊的載荷-位移曲線及主要特征點(diǎn)

圖1摘自GB/T 19748—2019《金屬材料 夏比V型缺口擺錘沖擊試驗(yàn) 儀器化試驗(yàn)方法》，圖中指出了沖擊試驗(yàn)中力的特征值的確定方法。其中，震蕩曲線由傳感器測(cè)出，擬合曲線則有助于各特征值的確定。常見特征值包括屈服力Fgy、最大力Fm、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力Fa等。

沖擊吸收能量KV可拆分為2部分，示意圖如圖2所示。以最大力Fm為分界點(diǎn)，之前為裂紋形成能量Wp(曲線下的面積積分)，之后為裂紋擴(kuò)展能量Wp，KV=Wi+Wp(曲線下的面積積分)。Wp可進(jìn)一步拆分，F(xiàn)m至Fiu為穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量Wp1，F(xiàn)a至斷裂為拉延撕裂能量Wp2，二者之間即Fiu至Fa為不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量Wp3，Wp=Wp1+Wp2+Wp3。

圖1 力的特征值劃分示意圖Fig.1 Diagram of characteristic value division of force

圖2 沖擊吸收能量拆分示意圖Fig.2 Split diagram of impact absorption energy

由上述示意圖并結(jié)合試樣斷口形貌，可對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行如下描述。一次彎曲沖擊載荷下，缺口底部發(fā)生應(yīng)力集中，在抑制主應(yīng)力方向的與變形相聯(lián)系的多向應(yīng)力作用下，試樣發(fā)生形變強(qiáng)化，且于最大力Fm處形成裂紋，消耗的能量即為裂紋形成能量Wi。之后，裂紋開始穩(wěn)定、擴(kuò)展，直至裂紋臨界長(zhǎng)度Fiu點(diǎn)，F(xiàn)m至Fiu期間消耗的能量即為穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量Wp1。Fiu點(diǎn)之前，對(duì)應(yīng)斷口上的指甲狀纖維區(qū)域。從Fiu到Fa，裂紋失穩(wěn)，試樣以準(zhǔn)解理或解理方式脆性破斷，經(jīng)歷大約幾毫秒，裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展形成晶狀斷面，消耗能量即為不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展能量Wp2。Fa點(diǎn)附近，裂紋前端不遠(yuǎn)處受到彎曲壓應(yīng)力，疊加靠近試樣底部邊緣的應(yīng)力狀態(tài)變化，裂紋快速擴(kuò)展終了，形成放射/纖維混合的擴(kuò)展區(qū)。再之后，剪切斷裂層在試樣的邊部形成，試樣以撕裂方式最終斷裂，對(duì)應(yīng)拉延撕裂能量Wp3，斷口形貌呈韌性特征。

載荷-位移曲線的形態(tài)隨材料特性(內(nèi)因)和溫度(外因)變化而變化，GB/T 19748—2019將其歸納為A-F共6種，代表從脆性向韌性轉(zhuǎn)變的6種典型曲線形態(tài)。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這樣的分類本身不改變沖擊試驗(yàn)過程中載荷-位移變化規(guī)律的相似性。

2 實(shí)例

2.1 13MnNiMoR鋼板的示波沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為13MnNiMoR鋼板，厚145 mm，熱處理為正火+回火處理，符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的技術(shù)要求。沖擊試樣取自鋼板橫向的1/4厚度處,試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。在8個(gè)溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，每組9個(gè)試樣，共計(jì)72個(gè)試樣。表1為13MnNiMoR鋼板在不同溫度下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，圖3為其在不同溫度下的典型示波沖擊曲線。

表1 13MnNiMoR鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Impact test results of the 13MnNiMoR steel plate

圖3 13MnNiMoR鋼板在不同溫度下的示波沖擊載荷-位移曲線Fig.3 Oscillographic impact load-displacement curves of the 13MnNiMoR steel plate at different temperatures

2.2 分析與討論

2.2.1 不同溫度下的載荷-位移曲線

由圖3可知，隨著試驗(yàn)溫度降低，包括屈服力Fgy、最大力Fm在內(nèi)的載荷曲線整體升高，其中Fgy升高幅度更明顯；各特征點(diǎn)的位移不斷減小。這一現(xiàn)象，與低溫下拉伸試驗(yàn)所呈現(xiàn)強(qiáng)度升高、塑性降低的特征基本一致。

60 ℃的載荷-位移曲線與40 ℃的相似度很高。最大力Fm之后，曲線平穩(wěn)下滑，不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力Fa消失，表明試樣未發(fā)生裂紋失穩(wěn)，斷口呈100%韌性斷裂特征。

20 ℃,0 ℃,-20 ℃的載荷-位移曲線，出現(xiàn)較為明顯的脆斷特征，且溫度越低，脆斷發(fā)生越早。同時(shí)，穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段(如圖2示意的Fm至Fiu段)隨溫度降低而收窄，表明脆斷發(fā)生前的臨界裂紋長(zhǎng)度尺寸減小。對(duì)應(yīng)到試樣斷口形貌上，則溫度越低，指甲狀纖維區(qū)域?qū)挾?啟裂棱)越小，晶狀區(qū)擴(kuò)大。

-40 ℃與-60 ℃的載荷-位移曲線，其穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段消失。隨載荷增大，試樣突然斷裂。低溫下，缺口底部塑性區(qū)域急劇減小，在缺口應(yīng)力集中導(dǎo)致的應(yīng)力強(qiáng)化和與變形相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變強(qiáng)化共同作用下，材料整體屈服應(yīng)力迅速達(dá)到結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致脆斷發(fā)生。換言之，試樣的突然斷裂，是因?yàn)榉螿σs≥σf(Q為應(yīng)力集中系數(shù)，σs為屈服強(qiáng)度，σf為材料斷裂強(qiáng)度)斷裂條件[1]。

-80 ℃條件下，試樣完全脆化，斷裂幾乎就發(fā)生在彈性變形階段。此時(shí)，缺口底部塑性區(qū)域尺寸進(jìn)一步減小，甚至可能達(dá)到晶粒大小數(shù)量級(jí)，斷口100%呈脆性斷裂。

總體來(lái)說(shuō)，溫度較高時(shí)，載荷-位移曲線經(jīng)歷彈性段、屈服段、形變強(qiáng)化階段，達(dá)到載荷最大值Fm，裂紋形成之后，載荷持續(xù)下跌，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，最終斷裂，斷口100%呈現(xiàn)韌性。溫度降低，曲線開始出現(xiàn)裂紋失穩(wěn)階段，對(duì)應(yīng)試樣斷口上的晶狀區(qū)，且溫度越低，晶狀區(qū)面積增大。溫度再降低，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段逐步收窄、直至消失；進(jìn)一步，形變強(qiáng)化階段縮短、直至屈服消失；最后，溫度達(dá)到無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，試樣在彈性階段斷裂，呈現(xiàn)100%脆性斷裂。

2.2.2 裂紋形成能量Wi與裂紋擴(kuò)展能量Wp

鑒于KV=Wi+Wp，圖4為13MnNiMoR鋼板的沖擊吸收能量與溫度的關(guān)系曲線,即KV-t、Wi-t曲線(未繪制Wp-t曲線)，以顯示各類沖擊能量與溫度之間關(guān)系。由圖4可知,KV-t曲線呈S型，可劃分為上平臺(tái)區(qū)、轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺(tái)區(qū)。以KV-t曲線為參考，分析裂紋形成能量Wi與裂紋擴(kuò)展能量Wp之間的關(guān)系。

圖4 溫度對(duì)13MnNiMoR鋼板沖擊吸收能量的影響Fig.4 Effect of temperature on impact absorption energy of the 13MnNiMoR steel plate

在KV-t曲線上平臺(tái)區(qū)以及緊鄰轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度范圍內(nèi)，Wi基本恒定。KV的下降，由Wp的下降構(gòu)成。隨溫度下降，Wp消耗殆盡接近于0后，Wi開始主導(dǎo)KV下降，在圖4中表現(xiàn)為兩條曲線幾乎完全同步。簡(jiǎn)而言之，材料韌脆轉(zhuǎn)變的過程，開始于裂紋擴(kuò)展能量Wp的下降，裂紋擴(kuò)展能量Wp消耗殆盡之后，才開始消耗裂紋形成能量Wi。

事實(shí)上，關(guān)于裂紋形成能量與裂紋擴(kuò)展能量誰(shuí)更重要、誰(shuí)才是決定材料韌性的主角等問題，一直處于爭(zhēng)論之中，且尚未形成主流意見。背后最重要的原因，是工程應(yīng)用中規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于沖擊吸收能量KV值的要求，一般均小于材料本身的最大裂紋形成能量值。以13MnNiMoR鋼板為例，標(biāo)準(zhǔn)要求值為47 J，而最大裂紋形成能量一般為70～80 J(如表1為72 J)。實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)，低的KV值，即使遠(yuǎn)低于材料潛在的最大裂紋形成能量，仍然成功防止了脆斷。從這一角度，似乎可以得到一個(gè)指引，裂紋形成能量已經(jīng)足夠，裂紋擴(kuò)展能量顯得過剩。

對(duì)此，筆者認(rèn)為決定材料韌性的關(guān)鍵，在于裂紋擴(kuò)展能量Wp，其表征著帶裂紋構(gòu)件抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，以及止裂能力。廣義地說(shuō)，裂紋總是存在的，其可能是裂紋，也可能是某種缺陷或者不連續(xù)，甚至可以是相界、晶界。而構(gòu)件安全的核心問題，是這些可抽象裂紋是否會(huì)擴(kuò)展，以及擴(kuò)展的臨界門檻閾值。對(duì)于期望的材料，應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)牧鸭y擴(kuò)展能量，也就是圖2中的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段(Fm到Fiu)應(yīng)保持適當(dāng)容量，如此，構(gòu)件才可能在遭遇應(yīng)力集中時(shí)候，表現(xiàn)出一定的止裂能力，滿足于裂紋形成能量可能存在風(fēng)險(xiǎn)。圖3中的-40 ℃的載荷-位移曲線，盡管其沖擊能量平均值為69.9 J，但其波動(dòng)很大，隨機(jī)性也很大，呈現(xiàn)較為明顯的脆性特征，裂紋剛一形成，脆斷馬上產(chǎn)生，材料的韌性裕度或者說(shuō)容錯(cuò)能力都較低。

2.2.3 示波曲線與斷口形貌

一次沖擊打斷試樣，斷口上留下裂紋前進(jìn)的痕跡。由于裂紋傳播速度不同，遭遇的抵抗力或吸收能量不同，形成韌性和晶狀兩種斷面，其表征著微區(qū)斷裂機(jī)理的差異，與試樣存在的缺口密切相關(guān)。

缺口具有敏感性，且與溫度關(guān)聯(lián)性極大，這也是采用缺口沖擊試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)材料韌性的意義所在。材料斷裂取決于原子間結(jié)合力，溫度影響較??；而屈服是金屬的塑性流動(dòng)，受溫度影響更大。缺口幾何形狀導(dǎo)致應(yīng)力集中，溫度改變塑性區(qū)尺寸，且改變與三向應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變集中。隨著溫度降低，試樣缺口底部附近的應(yīng)力強(qiáng)化不斷加劇，屈服應(yīng)力上升，其與材料結(jié)合力的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系導(dǎo)致材料從韌性斷裂走向脆性斷裂。

由圖3可知，當(dāng)載荷從最大值Fm開始下降時(shí)，如果曲線下降趨勢(shì)緩和，則對(duì)應(yīng)斷口為韌性，其斷裂機(jī)理可由微孔聚合來(lái)解釋。如果出現(xiàn)近乎垂直下降，則表明裂紋擴(kuò)展速度極快，對(duì)應(yīng)斷口為晶狀，可由準(zhǔn)解理或解理來(lái)解釋。由圖3還可知，載荷垂直下降現(xiàn)象，以及這種現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間(幅度)，對(duì)應(yīng)了晶狀斷口的發(fā)生，以及晶狀斷面占整個(gè)斷口的比例。反過來(lái)，可以換算為韌性斷面。

需要特別指出的是，在KV-t曲線的上平臺(tái)溫度區(qū)域，KV波動(dòng)小，Wi基本恒定，且由于KV=Wi+Wp，Wp亦波動(dòng)較小。在裂紋形成能量Wp小幅波動(dòng)情況下，晶狀斷口或許已經(jīng)出現(xiàn)，甚至可能達(dá)到20%～30%。之所以專門指出這一點(diǎn)，是時(shí)常有一種誤解，認(rèn)為KV上平臺(tái)一定對(duì)應(yīng)100%韌性斷面，或者認(rèn)為不達(dá)到100%韌性斷面，就不能得到上平臺(tái)。也就是說(shuō)，100%韌性斷面一定對(duì)應(yīng)上平臺(tái)，而上平臺(tái)不一定對(duì)應(yīng)100%韌性斷面。

3 示波沖擊曲線的工程應(yīng)用與思考

示波沖擊曲線提供了不同變形和載荷階段的載荷、變形及能量消耗的變化信息，且各階段的變化與沖擊斷口形貌對(duì)應(yīng)，這為材料研究提供了有利條件[2]。

從材料研究角度，觀察示波曲線，可以為優(yōu)化材料韌性水平提供依據(jù)。比如，平衡強(qiáng)度與韌性的關(guān)系。對(duì)某材料來(lái)說(shuō)，在應(yīng)用溫度下，如果裂紋擴(kuò)展能量富裕，則預(yù)示材料強(qiáng)度提升尚存在空間；裂紋形成能量偏低，則應(yīng)降低材料強(qiáng)度。從工程應(yīng)用角度，通過示波曲線，可以比較不同材料的韌性水平。相同的沖擊吸收能量，對(duì)于不同材料，尤其是強(qiáng)度水平差異較大的材料，反映的抗脆斷能力可能差異很大，這取決于裂紋形成能量與裂紋擴(kuò)展能量二者之間的配比。強(qiáng)度高的材料，裂紋形成能量占比較大，甚至可能根本沒有裂紋擴(kuò)展能量，材料抗脆斷能力差；強(qiáng)度低的材料，裂紋形成能量比例較小，裂紋擴(kuò)展能量較富裕，材料抗脆斷能力強(qiáng)。因此，有些場(chǎng)合，也把兩部分能量之間的比值等于1時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，作為材料韌脆轉(zhuǎn)變參數(shù)之一[3]。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)示波沖擊的載荷-位移曲線，可確定屈服力、最大力、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力等物理特征值，并可依據(jù)這些特征值對(duì)沖擊吸收能量進(jìn)行劃分。

(2) 隨溫度降低，載荷-位移曲線形態(tài)發(fā)生改變，載荷逐步升高、位移減小，并依次出現(xiàn)裂紋失穩(wěn)、穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段收窄或消失、屈服消失、彈性變形階段脆性斷裂等現(xiàn)象。

(3) 材料韌脆轉(zhuǎn)變始于裂紋擴(kuò)展能量降低，當(dāng)裂紋擴(kuò)展能量消耗殆盡之后，裂紋形成能量開始降低，并主導(dǎo)總沖擊吸收能量降低，與斷口上韌性斷面不斷減少、晶狀斷面不斷增加相對(duì)應(yīng)。

(4) 示波沖擊曲線，可以為優(yōu)化材料強(qiáng)韌性提供依據(jù)，并可用來(lái)評(píng)價(jià)不同材料的韌性水平。