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詳細(xì)解讀沖擊試驗(yàn)一、沖擊試驗(yàn)的定義 沖擊試驗(yàn)是把要試驗(yàn)的材料 制成規(guī)定形狀和尺寸的試樣,在沖擊試驗(yàn)機(jī)上一次沖斷,用沖擊試樣所消耗的功和斷口形貌特點(diǎn),經(jīng)過整理得到規(guī)定定義的沖擊性能指標(biāo)。例如,沖擊韌度、沖擊吸收功,以及纖維斷口所占斷口面積的百分比等。沖擊試驗(yàn)所得性能指標(biāo)沒有明確的物理意義,所得性能數(shù)據(jù)也不直接用于對(duì)所測(cè)性能做定量評(píng)價(jià)或設(shè)計(jì)計(jì)算;但沖擊試驗(yàn)簡單方便,是最容易獲得的材料動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)方法,迄今已積累了大量的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)這些數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)對(duì)材料使用中至關(guān)重要的脆性傾向問題和材料冶金質(zhì)量、內(nèi)部缺陷情況極為敏感,是檢查材料脆性傾向和冶金質(zhì)量的非常方便的辦法。因此,這種試驗(yàn)方法在產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和科研工作中仍然得到廣泛應(yīng)用。自20世紀(jì)60年代以來,斷裂力學(xué)和斷裂金屬學(xué)的飛速發(fā)展表明,沖擊試驗(yàn)得到的沖擊值與斷裂韌度有較密切的關(guān)系,可用沖擊試驗(yàn)值來估算斷裂韌度,或直接用沖擊試驗(yàn)的方法來測(cè)量動(dòng)態(tài)斷裂韌度和止裂韌度;還發(fā)展了帶有沖擊示波裝置的電子計(jì)算機(jī)的沖擊試驗(yàn)機(jī),用以顯示和記錄沖擊變形過程中彈性變形、塑性變形、裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展諸階段的能量分配,對(duì)于測(cè)定材料斷裂性能和研究斷裂過程具有重要意義。
擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)構(gòu)造示意圖
▲圖1 試樣種類及尺寸 a)U形缺口 b)V形缺口
沖擊試樣三維圖(上V形缺口、下U形缺口)
所用試驗(yàn)機(jī)為擺錘式,擺錘擺動(dòng)的最低位置為放試樣處,試樣支座、擺放位置及擺錘刀刃見圖2 。 圖2 試樣支座、擺放位置及擺錘刀刃 將試樣放在距離為40mm的試驗(yàn)支座上,將揚(yáng)起的擺錘釋放,擺錘下落時(shí),通過最低位置打斷試樣,繼續(xù)向前擺動(dòng)到一定位置停下,則試樣被沖斷所吸收的功為: 圖3 所示為沖擊試樣所消耗的功的計(jì)算。實(shí)際試驗(yàn)機(jī)上有不同指針來指示沖擊吸收功。 圖3 沖擊試樣所消耗的個(gè)計(jì)算 對(duì)于U形缺口和V形缺口試樣,規(guī)定了兩類性能指標(biāo): 1,沖擊吸收功AKV和AKU:二者是指試樣被沖斷時(shí)所吸收的功,單位 J 或N·m 。 2,2,沖擊韌度aKV或aKU : 二者是沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫斷面面積之商,單位為 J/cm2或N·m/cm2。 現(xiàn)在,國內(nèi)外比較廣泛采用的是V形缺口試樣,并且用的比較多的是AKV指標(biāo),美國用CV或CVN表示。過去前蘇聯(lián)應(yīng)用較多的是U形缺口試樣,我國也用過較長時(shí)間,現(xiàn)已較少采用。在GB/T229 中只規(guī)定AKV、AKU2、AKU5三個(gè)沖擊吸收功指標(biāo),其下標(biāo)中的2、5表示的是U形缺口深度為2mm、5mm。我國長期使用aKV或aKU ,積累了大量有關(guān)數(shù)據(jù)資料,雖然這兩個(gè)指標(biāo)在GB/T229 -xxxx中被取消,但在引用舊文獻(xiàn)時(shí)需要予以注意。 對(duì)于較薄原材料或從實(shí)物上取10×10×55標(biāo)準(zhǔn)試樣較困難時(shí),允許取7.5×10×55或5×10×55等小尺寸試樣。但小尺寸試樣的沖擊吸收功,其大小并不等比于其缺口處面積與標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣缺口處面積的比例,這一比例在標(biāo)準(zhǔn)中有另外規(guī)定。我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6194-2003和美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) API 規(guī)定了小尺寸沖擊試樣沖擊吸收功的遞減系數(shù)。7.5×10×55的是0.8,5×10×55的是0.55 。也就是說,假如標(biāo)準(zhǔn)試樣的AKV值為50 J,那么7.5×10×55試樣的沖擊值必須為 50×0.8=40J 的時(shí)候才與標(biāo)準(zhǔn)試樣的50 J 等效,而不是50×0.75=37.5J。其余類推。 各國標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)試樣缺口部分的尺寸與公差有明確規(guī)定,所以在進(jìn)行試驗(yàn)或參看資料時(shí),必須注意執(zhí)行的是什么標(biāo)準(zhǔn)。 ▼表1 各國關(guān)于V性缺口尺寸及公差的規(guī)定 ▼表2 各國夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)主要參數(shù)
沖擊試樣缺口有專用的拉制設(shè)備。缺口形狀和尺寸也有專用的投影儀檢測(cè)其是否符合要求。 沖擊試樣缺口拉床(手動(dòng)式) 沖擊試樣缺口投影儀
沖擊試樣斷口形貌 3.1、沖擊功表示材料抵抗沖擊載荷的能力。 到現(xiàn)在為止,沖擊試驗(yàn)是工程上獲得材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和變形能力最方便、最簡單的方法,所以習(xí)慣上用沖擊值來表示材料抵抗沖擊載荷能力的大小。沖擊抗力有明顯的的體積效應(yīng)和波傳導(dǎo)特點(diǎn),與載荷和變形速度有很大關(guān)系。因沖擊試驗(yàn)是在特定試驗(yàn)條件(加載速度、試樣尺寸和缺口形狀)下獲得的,所以沖擊試驗(yàn)得到的沖擊值大,并不一定是實(shí)際結(jié)構(gòu)件沖擊抗力也大;沖擊試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度并不是實(shí)際結(jié)構(gòu)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。另外,沖擊值是一個(gè)能量概念,它包含著強(qiáng)度和塑性兩方面的貢獻(xiàn)。強(qiáng)度高塑性低些的材料可以有較高的沖擊值;強(qiáng)度差些而塑性較好的材料也可以有較高的沖擊值。對(duì)于前—種情況,雖然沖擊值不低,但機(jī)件在服役過程中,仍然會(huì)有不能忽視的脆性傾向。因此,用沖擊值表示沖擊抗力和脆性傾向,不能用于定量計(jì)算,有很大的條件性,并且具有明顯的經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)。 例如,疏松、夾雜、流紋、白點(diǎn)、過燒、過熱等,以及變形時(shí)效、回火脆性等,都可以從沖擊值大小明顯反映出來。例如,中碳結(jié)構(gòu)鋼 40MnB 硼含量極微,但對(duì)淬透性有重大影響。硼含量稍微過量,將有脆性“硼相”自晶界析出,大大降低沖擊值。圖4 所示,為硼含量對(duì)40MnB 鋼沖擊值的影響。晶粒大小對(duì)沖擊值和韌脆轉(zhuǎn)變溫度有重大影響,圖5所示,為純鐵和w(Ni)為36%的鐵,晶粒尺寸對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT的影響。不同處理方式,對(duì)沖擊值也有明顯影響圖6所示,為30 CrMnSi鋼370°C等溫淬火和淬火+500°C回火不同試驗(yàn)溫度的沖擊值,其強(qiáng)度水平基本相同(σb=1260-1270MPa)條件下的沖擊值有明顯差別。18CrNiW鋼890°C加熱,油冷得到低碳馬氏體,爐冷得到粒狀貝氏體,空冷得到低碳馬氏體與粒狀貝氏體混合組織,不同火溫度,室溫15°C沖擊吸收功AKV及韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT曲線如圖7所示。
▲圖4 硼含量多40MnB沖擊值的影響
▲圖5 晶粒尺寸對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT的影響
▲圖6 30CrMnSi 鋼370℃等溫淬火和淬火+500℃回火不同試驗(yàn)溫度的沖擊值 ▲圖7 18CrNiW鋼油冷、空冷、爐冷及不同回火溫度下的AKV和FATT曲線 對(duì)鋼來講,隨著試驗(yàn)溫度的變化,在某些溫度范圍,材料沖擊韌度呈現(xiàn)急劇下降現(xiàn)象, 見圖8 。常用沖擊試驗(yàn)來檢驗(yàn)材料脆性發(fā)展情況(如冷脆、藍(lán)脆、重結(jié)晶脆、紅脆等現(xiàn)象)。
▲圖8 鋼的幾個(gè)脆性溫區(qū) 低溫箱
面心立方點(diǎn)陣以外的金屬材料(如常用的珠光體、鐵素體類型的結(jié)構(gòu)鋼及鑄鐵等)、隨溫度下降可能發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變,即低溫脆性或冷脆(見圖8)。冷脆現(xiàn)象對(duì)車輛、橋梁、艦船、低溫工作的容器、管道和其他金屬結(jié)構(gòu)相當(dāng)重要。測(cè)定表明材料低溫韌脆轉(zhuǎn)變行為的韌脆轉(zhuǎn)變曲線以及韌脆轉(zhuǎn)變溫度tK的試驗(yàn),稱為系列沖擊試驗(yàn)。GBT229 中規(guī)定了系列沖擊試驗(yàn)法,試驗(yàn)時(shí)將試樣浸入盛有低溫介質(zhì)的容器中,對(duì)于-78°C以上的溫度,可用不同比例的固態(tài)二氧化碳(干冰)與酒精混合作為低溫介質(zhì);對(duì)于更低的溫度,可用不同比例的液氮與氟里昂或酒精混合獲得。低溫介質(zhì)的溫度須比試驗(yàn)溫度低2~3°C,以補(bǔ)償試樣從取出到?jīng)_斷這段時(shí)間的溫度回升。用低溫溫度計(jì)測(cè)量溫度,到溫后保溫15min,用絕熱性能好的夾鉗(如竹夾子)將試樣迅速夾持到試驗(yàn)機(jī)支座上對(duì)正擺好,釋放擺錘,將試樣沖斷。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,從試樣離開低溫介質(zhì)到?jīng)_斷,這段時(shí)間不得超5s 。以防止試樣溫度有過多的回升。更精細(xì)一點(diǎn),須作出試件離開低溫加之后,隨時(shí)間增加,溫度回升是曲線,對(duì)實(shí)際沖擊試驗(yàn)溫度進(jìn)行校正。 確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法有下面幾種: 1)用0.4 AKmax所對(duì)應(yīng)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度tK ,如t1 。 2)用上平臺(tái)與下平臺(tái)之間能量的一定百分比數(shù) n 的相當(dāng)溫度ETTn表示,如與1/2(AKmax+AKmin)相當(dāng)?shù)臏囟?/span>t2,記做ETT50 3)用完全塑性撕裂的韌性開裂最低溫度,即與達(dá)到上平臺(tái)AKmax的起始溫度相應(yīng)的溫度做tK ,如t3 。 4)用完全解理斷裂的脆性開裂的最高溫度,即與保持下平臺(tái)的AKmin最高溫度相對(duì)應(yīng)的溫度做tK,如t4 。 至于選用哪一種能量準(zhǔn)則,與所要求的保證不發(fā)生脆性斷裂的期望值大小有關(guān),也與機(jī)件服役過程中發(fā)生脆性斷裂時(shí),所承受的應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度的比和機(jī)件中存在的缺陷的情況等有關(guān)。此外,還要與經(jīng)濟(jì)效果等因素綜合考慮。4.3.2 斷口特征準(zhǔn)則。 一些鋼制件、大型鑄鍛件及焊接件,現(xiàn)在常根據(jù)斷口上解理斷裂面積與纖維斷裂面積的比FA%與試驗(yàn)溫度的關(guān)系來建立韌脆轉(zhuǎn)變曲線,并以一定的FA%值來確定轉(zhuǎn)變溫度。例如常用50%(面積分?jǐn)?shù))解理斷口與50%(面積分?jǐn)?shù))纖維斷口下的相應(yīng)溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,叫做斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度FATT( Fracture Apperance Transition Tempera-ture)。經(jīng)驗(yàn)表明,用斷口形貌所做的轉(zhuǎn)化曲線的轉(zhuǎn)化溫度位置,與用斷裂韌度KC所做的轉(zhuǎn)化曲線的韌脆轉(zhuǎn)化溫度位置比較一致,而用能量準(zhǔn)則所做轉(zhuǎn)化曲線與K轉(zhuǎn)變曲線差別較大。 GBT12778 規(guī)定了沖擊斷口測(cè)定方法。斷口形貌可用測(cè)量顯微鏡進(jìn)行測(cè)量、測(cè)量試樣斷口中心結(jié)晶狀斷口區(qū)域的寬度和高度 AxB 如圖11所示,然后依標(biāo)準(zhǔn)中所附的測(cè)量用表查出相應(yīng)的FA%。另一種方法是卡片法,標(biāo)準(zhǔn)中附有一系列不同F(xiàn)A%的卡片,選用與斷口上FA%相當(dāng)?shù)目ㄆ苯拥贸鱿鄳?yīng)的FA%值。還有一種斷口特征準(zhǔn)則,是依據(jù)試樣沖斷后受壓一面變寬的情況來確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度,叫側(cè)向?qū)捳罐D(zhuǎn)變溫度LETT( Lateral Expansion Transition Temperature),如1%或3.8%,3.8%相當(dāng)于10mm款試樣擴(kuò)展出了0.038mm 。 3.3.2 經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則 常用的國產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)量典型處理工藝的沖擊值如表3所示。
四、幾種接近實(shí)際服役條件的沖擊試驗(yàn) 上述沖擊試驗(yàn)結(jié)果只能表明材料脆性傾向的大小,不能代表結(jié)構(gòu)或機(jī)件實(shí)際韌脆狀態(tài)和實(shí)際韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在實(shí)驗(yàn)室條件下, 能夠獲得比較真實(shí)的冷脆轉(zhuǎn)變行為的方法是斷裂力學(xué)和斷裂韌度方法。為與斷裂力學(xué)方法平行,還發(fā)展了一系列能夠良好地表明實(shí)際結(jié)構(gòu)冷脆轉(zhuǎn)變行為的工程實(shí)用方法。其中主要是,從斷裂形式轉(zhuǎn)變溫度出發(fā)的落錘試驗(yàn)(pwr),從試樣沖斷吸收功轉(zhuǎn)變溫度出發(fā)的動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn)(DT)和從斷口形貌形式轉(zhuǎn)變溫度出發(fā)的落錘撕裂試驗(yàn)(DWT),試驗(yàn)中均用了較大尺寸的試樣。這些試驗(yàn)主要用于艦船、管道、容器以及其他金屬構(gòu)造物的冷脆轉(zhuǎn)變性質(zhì)評(píng)定。
4.1 鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)(DWT)與斷裂分析圖
落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)
(1) 低溫下完全彈性脆斷。這時(shí)材料的屈服強(qiáng)度高,斷裂時(shí)的應(yīng)力尚不能使材料產(chǎn)生屈服,發(fā)生這種破裂的最高溫度定義為“無塑性轉(zhuǎn)變溫度”NDT(Nil- Ductility Transition)。 (2)起裂部位先經(jīng)過塑性變形,然后解理起裂。但是裂紋仍然可以延伸到未經(jīng)過塑性變形的彈性區(qū),即仍然可在應(yīng)力低于屈服點(diǎn)的彈性區(qū)中傳播,這種破裂形式的最高溫度叫“彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度”FTE( Fracture Transition Elastic) (3)試驗(yàn)板中心先發(fā)生塑性變形,然后解理起裂,并且裂紋只在經(jīng)過塑性變形的區(qū)域中傳播,不再擴(kuò)展到周圍的彈性區(qū)中去,即不再發(fā)生低于屈服應(yīng)力的脆性開裂。發(fā)生這種斷裂形式的最高溫度叫“塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度”FTP(Freture Transition Plastic)。 (4)在出現(xiàn)塑性開裂后,只出現(xiàn)纖維撕裂(剪切)的裂口,裂口上無解理開裂形貌NDT、PTE、FTP就成為幾種斷裂形式的溫度界限,為了測(cè)定材料的NDT,發(fā)展了落錘試驗(yàn),經(jīng)驗(yàn)表明,對(duì)一般厚度在50mm以下的銅板,NDT與E,F(xiàn)TP有一簡單關(guān)系, 即: ETE=NDT+33℃ FTP=NDT+67℃ ▲圖12 落錘試驗(yàn)用試樣
以酒精、氟利昂等做冷卻介質(zhì),以干冰或液氮做冷源,將試樣放在盛有低溫介質(zhì)的容器中降溫,到溫后,將試樣取出放在落錘試驗(yàn)機(jī)的試樣支座上,將試樣沖斷。試樣支座如圖13所示,依不同型號(hào),試樣制作有一定跨距?缇嘀虚g有限制試樣彎曲撓度的終止臺(tái)。終止臺(tái)的高度要使試樣在收到?jīng)_擊撓曲到與終止臺(tái)接觸時(shí)受拉一面的應(yīng)力恰好達(dá)到屈服強(qiáng)度。因此,試樣在實(shí)驗(yàn)時(shí),如果斷裂,則是未經(jīng)屈服的無塑斷裂,這樣得到的最高溫度,即無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT。若發(fā)生屈服,則試樣不斷。
▲圖13 落錘試驗(yàn)機(jī)的試樣支座 ▲圖14 斷裂分析圖上圖橫坐標(biāo)是溫度,縱坐標(biāo)是外加應(yīng)力與屈服于應(yīng)力的比,它明確地表示了鋼板裂紋起裂、傳播和止裂等破壞形式和與之相當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平。缺陷處和溫度條件。建立此圖只需知道無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT、不同溫度下的屈服點(diǎn)σs和抗拉強(qiáng)度σb,因而比較方便,它在防止不同程度脆性破壞的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)材料有主要價(jià)值。 對(duì)厚板(如增大到75mm的板),其轉(zhuǎn)變溫度將擴(kuò)大為: ▲圖15 DT試驗(yàn)的試樣與支承 常用試樣尺寸為t×40×180 。試驗(yàn)時(shí),試樣承受三點(diǎn)彎曲沖擊載荷,支承支座跨距165±0.8mm 。試樣下面受拉一方開有缺口,缺口深度試樣韌帶尺寸保持(28.5±0.2mm),缺口先用銑削或線切割加工,然后用硬度不低于HRC60 的壓力壓制缺口頂端 。厚度大于16mm的樣坯,可加工成16mm后的試樣; 取自板厚5~16mm的試樣,保留原軋制表面。厚度等于或大于25mm的DT試驗(yàn)試樣及其制備,標(biāo)準(zhǔn)中有專門規(guī)定。 試樣落錘式或擺錘沖擊式?jīng)_擊機(jī)一次沖斷, 記錄試驗(yàn)溫度 t 與沖擊量 ΔE, 繪成 ΔE -t 曲線。圖16所示為σs為980MPa的高強(qiáng)度鋼的Ni-Cr-Mo-V鋼焊縫的CVN和DT的溫度曲線,可見其CVN數(shù)據(jù)分散很寬,而DT數(shù)據(jù)集中,轉(zhuǎn)化溫度明確。圖17所示為2.25Cr-Mo鋼經(jīng)淬火回火處理的CVN和DT溫度曲線,從曲線圖上看出,CVN曲線上平臺(tái)溫度卻相當(dāng)于DTD試驗(yàn)的NDT(-20℃ )。 ▲圖16 一種Ni-Cr-Mo-V鋼焊縫金屬CVN和DT溫度曲線 ▲圖17 2.25Cr-Mo鋼淬火回火處理的CVN、DT溫度曲線 ▲圖18 落錘撕裂的試樣、支座及常見刀刃 ▲圖19 落錘沖擊試驗(yàn)典型斷口
因DWTT試樣寬度很大,遠(yuǎn)比夏比試樣為寬,并在計(jì)算剪切面積時(shí),除去了缺口附近的裂紋萌生部分和擺錘接觸的影響部分,所以DWT試驗(yàn)還表明了結(jié)構(gòu)裂紋長程擴(kuò)展的韌脆轉(zhuǎn)化行為,這是別的試驗(yàn)方法所不具備的。 |