試樣厚度對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響

丁 陽(yáng)

(上海電氣核電設(shè)備有限公司, 上海 201306)

沖擊試驗(yàn)因其試樣加工簡(jiǎn)便,試驗(yàn)時(shí)間短，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等敏感而成為評(píng)價(jià)金屬材料沖擊韌性應(yīng)用最廣泛的一種傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)，也是評(píng)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(yàn)是目前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的材料低溫韌性評(píng)價(jià)方法[2]。在實(shí)際的試樣加工中，由于某些薄板的厚度不夠，無(wú)法制取10 mm×10 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸的夏比沖擊試樣[3]，不得不考慮采用10 mm×7.5 mm，10 mm×5 mm等小尺寸試樣來(lái)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[4]。小尺寸試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)保證材料質(zhì)量具有重要意義,目前相關(guān)研究主要集中在材料的沖擊上平臺(tái)吸收能量,即全塑性斷口,而對(duì)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(duì)于沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律,筆者采用小尺寸試樣進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

沖擊試驗(yàn)使用某鍛件廠提供的材料各項(xiàng)性能均勻的SA508-3鋼，將其加工成10 mm×10 mm×55 mm，10 mm×7.5 mm×55 mm，10 mm×6.7 mm×55 mm，10 mm×5 mm×55 mm等4種厚度的沖擊試樣；試驗(yàn)采用RKP450 IWI型全自動(dòng)高低溫示波沖擊試驗(yàn)機(jī)，其最大沖擊吸收能量為450 J。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小尺寸試樣沖擊吸收能量的要求

ASTM A673/A673M-2017StandardSpecificationforSamplingProcedureforImpactTestingofStructuralSteel對(duì)不同尺寸試樣的沖擊吸收能量的要求如表1所示。

根據(jù)表1可知，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊吸收能量的要求與試樣的厚度呈正比，而對(duì)于試樣的側(cè)膨脹值及剪切斷面率，則沒(méi)有具體的要求[5]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同尺寸試樣等效沖擊吸收能量的要求Tab.1 Standard requirements for equivalent impact absorbedenergy of different size specimens J

1.3 試驗(yàn)方法

首先用加工后的一批落錘試樣測(cè)試該材料的無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度(TNDT)[6]，當(dāng)落錘試驗(yàn)進(jìn)行到-40 ℃時(shí)，落錘試樣斷裂，而-35 ℃時(shí)兩個(gè)試樣均未斷裂，由ASTM E208-2017StandardTestMethodforConductingDrop-WeightTesttoDetermineNil-DuctilityTransitionTemperatureofFerriticSteels可知該材料的TNDT為-40 ℃。選取-60～60 ℃作為沖擊試驗(yàn)溫度，每間隔20 ℃為一個(gè)梯度設(shè)置沖擊試驗(yàn)溫度，并在每個(gè)溫度梯度下分別對(duì)上述4種不同尺寸的兩個(gè)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)量并記錄試樣的沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值及剪切斷面率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試樣厚度對(duì)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(guān)系如圖2所示，其中尺寸比值折線所對(duì)應(yīng)的是4種尺寸試樣厚度與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的沖擊吸收能量比值。

圖1 不同厚度試樣的沖擊吸收能量-溫度曲線Fig.1 Impact absorbed energy-temperature curves ofdifferent thickness specimens

圖2 不同厚度試樣的沖擊吸收能量比值與試樣厚度關(guān)系Fig.2 Relationship between the ratio of impact absorbed energy andthe specimen thickness for different thickness specimens

由圖1可知,4條曲線在-40 ℃左右出現(xiàn)了明顯的不同，具體表現(xiàn)為隨試樣厚度增加，曲線斜率明顯增大，這是因?yàn)榇藭r(shí)的溫度處于該材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。通常此轉(zhuǎn)變溫度被定義為吸收能量突然增加(或減少)時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，此時(shí)斷裂模式由韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂[3]。同時(shí)， 4條曲線出現(xiàn)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(huì)影響到通過(guò)沖擊吸收能量-溫度曲線得出的該材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

由圖2可知,當(dāng)試驗(yàn)溫度高于該材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，即處于上平臺(tái)溫度時(shí)，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(guān)系。是因?yàn)榇藭r(shí)沖擊試樣為韌性斷裂，而韌性斷裂時(shí)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(guān)。

當(dāng)試驗(yàn)溫度降低到材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(-40 ℃)時(shí)，沖擊吸收能量比值折線開(kāi)始偏離尺寸比值折線，即沖擊吸收能量與試樣厚度之間沒(méi)有線性關(guān)系，此時(shí)沖擊試樣屬于脆性斷裂。由于幾乎不產(chǎn)生塑性變形，橫截面積對(duì)于沖擊吸收能量的影響可以忽略不計(jì)，甚至當(dāng)沖擊試樣厚度增大時(shí)，試樣的力學(xué)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(shí)，試樣的沖擊吸收能量幾乎沒(méi)有變化。

2.2 試樣厚度對(duì)側(cè)膨脹值的影響

不同厚度試樣的側(cè)膨脹值-溫度曲線如圖3所示，可知隨著試驗(yàn)溫度的升高，側(cè)膨脹值也增大，但是在任一個(gè)溫度下，不同厚度試樣的側(cè)膨脹值相差很小，這也意味著側(cè)膨脹值對(duì)于某個(gè)具體的材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)，僅僅與試驗(yàn)溫度有關(guān)，而與試樣的厚度沒(méi)有明顯的關(guān)系。通常定義的側(cè)膨脹值指的是沖擊試樣斷裂后斷口兩側(cè)最大膨脹量之和[7]。而產(chǎn)生側(cè)膨脹的原因是當(dāng)材料在沖擊過(guò)程中受到平面應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展向外擠壓，對(duì)于不同厚度的試樣來(lái)說(shuō)，無(wú)論是脆性或韌性斷裂，裂紋擴(kuò)展能量總是相同的，所以側(cè)膨脹值也不變。

圖3 不同厚度試樣的側(cè)膨脹值-溫度曲線Fig.3 Side expansion value-temperature curves ofdifferent thickness specimens

2.3 試樣厚度對(duì)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(jiàn)4種厚度試樣的曲線斜率在-40 ℃時(shí)發(fā)生劇烈的變化，即試驗(yàn)溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，剪切斷面率也會(huì)迅速降低。而4條曲線相互之間的差異同側(cè)膨脹值曲線的基本一致，也說(shuō)明了剪切斷面率和試樣厚度之間沒(méi)有明顯的關(guān)系。

圖4 不同厚度試樣的剪切斷面率-溫度曲線Fig.4 Shear section rate-temperature curves ofdifferent thickness specimens

2.4 試樣厚度對(duì)特征值的影響

圖5為20 ℃時(shí)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(biāo)之間的面積[8]。觀察4條曲線可以發(fā)現(xiàn),隨著試樣厚度的減小，曲線和橫坐標(biāo)之間的面積也在逐漸減小，即沖擊吸收能量Wt減?。涣硪粋€(gè)特征值最大力Fm是沖擊試樣在沖擊試驗(yàn)過(guò)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(guò)程中所受到的最大力也越大。隨厚度的減小，不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu，即曲線在最大力之后開(kāi)始急劇下降的力,也越來(lái)越小，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展能量也越小，從而導(dǎo)致沖擊吸收能量減小。

圖5 不同厚度試樣的力-位移曲線Fig.5 Force-displacement curves of different thickness specimens

2.5 試樣厚度對(duì)斷口形貌的影響

圖6是試驗(yàn)溫度為20 ℃時(shí)不同厚度試樣沖擊斷口的宏觀形貌，可見(jiàn)對(duì)于不同厚度的試樣，斷口形貌基本相同，均為韌性斷裂，結(jié)合圖3的側(cè)膨脹值曲線發(fā)現(xiàn)，斷口與試樣的厚度并無(wú)直接聯(lián)系，與前文通過(guò)曲線得出的結(jié)論吻合。

圖6 20 ℃時(shí)不同厚度試樣的斷口宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of fracture of different thickness specimens at 20 ℃

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)試驗(yàn)溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，沖擊吸收能量與試樣的橫截面積有關(guān)，因此與厚度呈線性關(guān)系。而低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，沖擊吸收能量與試樣厚度之間沒(méi)有明顯關(guān)系。

(2) 試樣的側(cè)膨脹值、剪切斷面率、斷口形貌與厚度之間沒(méi)有直接聯(lián)系。

(3) 隨著試樣厚度的減小，不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力越來(lái)越小，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展能量也越小，從而導(dǎo)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(guò)程中所受到的最大力也越大。