冲击用裂纹扩展功评定钢的韧脆转变

 
 
 
具有体心立方和密排六方的金属及其合金，特别是工程上常用的结构钢均会产生冷脆现象。即当试验温度低于某一温度Tk时，材料将从韧性变为脆性状态，其冲击功明显下降。温度Tk称为韧脆转变温度。系列温度冲击试验是评定材料低温脆断的常用方法，这种方法比较简单，使用的历史较长，积累了许多经验，常用以下2种方法：
将Akwt值降到某一特定数值时的温度定义为Tko①取1/2Ak冲击值对应的温度或取1/2(Akmax—Akmin)冲击值所对应的温度；②取工程上规定夏比冲击功Ak所对应的温度。例如船用低碳钢板，取V型缺口试验的20JU型缺口300M钢取49等。这种方法的问题是：Ak值的大小由使用者决定，多数是靠经验数据而定。
 

 
 
以断口形貌转变温度FATT，通常取冲击断口上出现50%纤维断面率时的温度FATT50为冷脆转变温度。冷脆转变温度的确定方法很多，共同的特点是物理意义不明确。例如FATT，它主要反映冲击断裂时裂纹扩展过程中断口形貌在韧脆程度上的差别。而缺口试样冲击功Ak，即包括裂纹形成功，又包括裂纹扩展功。冲击功对缺口尖锐程度敏感，而FATT对缺口尖锐度不敏感；FATT虽然能反映裂纹扩展过程中断口韧脆上的差别，但不能对裂纹抗力以定量的评估。当FATT温度相同时，不同材料的裂纹扩展功可能相差很大，而且FATT的测量准确性与测量人员的经验关系很大。为了克服上述2种方法的不足，采用仪器化冲击实验测出的裂纹形成功或扩展功作为冷脆转变的判据。它能定量、准确的和具有明确物理意义的确定冷脆转变温度。以300M钢为例进行了探索。根据上面分析，笔者把300M钢不同试验温度测出的冲击功Ak分解成裂纹形成功E，和裂纹扩展功Ep，并按照常规方法把Ak换算成。k测出的数据列于表2fy1。并根据这些数据绘出300M钢的能量温度曲线(见图5)。
 

 

 
在研究钢材韧脆转变的标准中，能量法应用普遍。为进行比较，笔者采用如下几种方法确定300M钢的韧脆温度：①取1/2Clkmax冲击韧性值对应的温度为韧脆转变温度，用Tlk表示；②采用300M钢技术条件规定值(49J/cm2)为标准，其对应的温度用Tk表示；③裂纹形成功E；，随试验温度降低在某一温度范围急剧下降，其取Ei_TO。曲线转折点所对应的温度为韧脆转变温度，用TOk表示；①裂纹扩展功Ep，在韧脆转变温度(用Tk表示)以下时变化较小，在Tk以上时显著增加，其转折点所对应的温度，即为韧脆转变温度。用以上4种判据确定的300M钢韧脆转变温度列入表3。
从表3可见，用裂纹形成功E，及裂纹扩展功E：作为判据确定的TOk和Tk与以300M钢技术条件规定值为判据定出的韧脆转变温度厂基本吻合；以12akmax作为判据确定的转变温度T/k比上述3种方法测出的温度低30(左右。众所周知，用钢材技术条件规定值作为判据，它是根据材料使用条件提出的，它反映不出材料的韧脆转变本质。利用作为韧脆转变判据，由于Clk值本身物理意义不明确，同样也不能反映材料的韧脆转变本质。相反裂纹扩展功及裂纹形成功代表材料的韧脆性，有明确的物理意义。E，主要消耗在被冲击试样弹性变形、塑性变形及裂纹形成中；Ep主要用于裂纹前沿微观塑性变形及裂纹扩展。
 


 
 
显然，用裂纹扩展功来描述材料的韧脆转变更合适。因为它的大小表示裂纹出现后扩展速度的快慢，代表材料韧性的好坏。笔者曾用上述方法对多种材料进行过研究，结果证明用E：或E，作为韧脆转变的判据是可行的。300M钢韧脆转变的研究结果表明，利用裂纹扩展功和裂纹形成功随试验温度降低的变化曲线转折点作为韧脆转变温度的判据，与其它方法比较，有明显的优点。
物理意义明确，变化明显，易于分辨。因此，它将会取代其它韧脆转变判据。冲击能量特征值的应用研究还仅仅是个开始，有很多对冲击功比较敏感的材料和工艺性能还需进一步开发。例如搅拌摩擦焊接与母材冲击试验结果相比较，不但焊缝部分冲击力提高24%，同时冲击总功也提高89%，尤其是裂纹扩展功，与母材相比提高了1.5倍。随着仪器化冲击试验机的广泛应用，冲击能量特征值作为一种衡量材料性能的指标将引起人们更多的关注。
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