試樣厚度對結構鋼沖擊韌性的影響

許天旱, 周翻身, 羅皓榮

(西安石油大學 材料科學與工程學院, 西安 710065)

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(jīng)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(huán)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(xiàn)脆性斷裂；當試樣具有相對較小的橫截面時，其傾向于呈現(xiàn)韌性斷裂，這是因為不同尺寸的試樣具有不同的應力狀態(tài),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/T 229-2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 19748-2005 《鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法》、GB/T 2650-2008 《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?jīng)_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(shù)據(jù)，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(jù)GB/T 229-2020，U165鋼級鉆桿因管材壁厚限制，不能獲得厚度為10 mm的標準試樣，沖擊試樣采用厚度分別為2.5，5，7.5 mm的小尺寸試樣，其他維度尺寸保持不變，長度為55 mm，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10 mm的標準尺寸試樣外，增加了厚度分別為15，20 mm的補充試樣，其他維度尺寸保持不變。沖擊試驗采用NI 500C型數(shù)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10，7.5，5 mm的Q275鋼的沖擊吸收能量值的要求分別是不低于27，20，13.5 J。U165鋼屬于超高強度鉆桿鋼級，相關標準目前尚在制訂中。

表1 U165鋼、Q275鋼和20鋼的力學性能

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10 000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(shù))約為80%,用SEM將其顯微組織放大至10 000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)]。

圖1 U165鋼和Q275鋼的顯微組織形貌

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=2.5 mm的試樣載荷隨著擺錘位移的增加下降均勻；當t=5 mm時，試樣承受的載荷發(fā)生突降，如圖2a)中的A點所示，載荷從10 849.7 N突降到10 157.4 N；當t=7.5 mm時，載荷下降得更快，載荷從15 100.6 N突降到10 665.6 N，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(fā)生裂紋急劇增加；由于裂紋沿晶體平面擴展，很少發(fā)生塑性變形，從而宏觀表現(xiàn)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=2.5 mm的試樣也未出現(xiàn)載荷突降現(xiàn)象，當t=20 mm時，載荷從28 755.6 N突降到4 610.9 N，突降幅度達最高載荷的80%以上。

圖2 U165鋼和Q275鋼在不同厚度下的位移-載荷曲線

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≤10 mm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>10 mm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(shù)與沖擊吸收能量增加的倍數(shù)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(qū)別，這是因為試樣厚度決定了材料的應力狀態(tài)，當試樣厚度較小時，試樣受力更傾向于平面應力狀態(tài)，試樣兩側更容易自由收縮，因此更易發(fā)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(qū)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(tài)的影響會越來越顯著[12]。

圖3 3種鋼材在不同厚度下的沖擊吸收能量及線性擬合

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=7.5 mm)下更傾向于呈現(xiàn)為平面應力狀態(tài);當t=2.5 mm時，U165鋼和Q275鋼的宏觀斷口形貌只有纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，微觀斷口形貌呈現(xiàn)為較均勻的韌窩;當t=5 mm時，U165鋼的斷口為韌性斷口，宏觀形貌只有纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，微觀形貌呈現(xiàn)為韌窩，但大小不一，分布不均勻，而Q275鋼的斷口出現(xiàn)放射區(qū)，微觀形貌呈現(xiàn)為解理斷口，部分解理面超過60 μm，與圖1c)中Q275鋼的晶粒尺寸具有對應關系;當t=7.5 mm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]。

圖5 Q275鋼試樣在不同厚度下的沖擊斷口形貌

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(jù)試樣厚度按比例計算，根據(jù)圖3所示數(shù)據(jù)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。

CVN,t=15.70t-18.48

(1)

CVN,t=12.36t-14.93

(2)

CVN,t=3.55t+18.78

(3)

式中：CVN,t是試樣厚度為t(t≤10 mm)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(shù)不同，該系數(shù)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(tǒng)按比例估算沖擊吸收能量偏差較大的缺點。例如，根據(jù)式(1)可以估計U165鋼標準試樣的沖擊吸收能量為138.5 J。

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(xiàn)象，但試樣厚度為20 mm的Q275鋼的沖擊載荷突降高達80%以上。

(2) 當試樣厚度≤10 mm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(shù)顯著不同。當試樣厚度>10 mm時，沖擊吸收能量隨厚度的增大偏離線性規(guī)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(tài)差異導致其斷裂機制不同。