側(cè)向膨脹值表征材料韌性的基礎(chǔ)性研究

劉麗梅，李金梅，楊 莉，李 崗，李志霞，蘇亞寧

(蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314)

側(cè)向膨脹值是通過表征材料抵抗三軸應(yīng)力斷裂的能力來表征材料斷裂韌性[1]，試驗結(jié)束后，檢測數(shù)據(jù)可重現(xiàn)，試樣的缺陷敏感性小，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性高。GB/T 229—2007中采用三種方法(游標(biāo)卡尺法、圖像分析法、儀器法)測量側(cè)向膨脹值[2]。其中游標(biāo)卡尺法和圖像分析法僅需一次測量，方法簡單易操作，工作量?。粌x器法精度高但測量次數(shù)多，最終結(jié)果需要求和計算，數(shù)據(jù)處理工作量大，人員和時間成本高。因此，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)場工作量大、工期短的特點，本文通過以上三種方法的比對研究，找出側(cè)向膨脹值的影響因素并加以利用，最終得到準(zhǔn)確高效的檢測方式。

1 試驗方法及過程

試驗采用同批次、同爐號的12Cr2Mo1R鋼為研究對象，在7個不同溫度：-100、-80、-60、-40、-20、0、20 ℃下進行夏比V型缺口沖擊試驗，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，實驗設(shè)備為ZBC2602N-3金屬擺錘沖擊試驗機，每個溫度進行5個試樣的平行試驗，試驗過程嚴(yán)格按照GB/T 229—2010《金屬材料 夏比沖擊試驗方法》進行。試驗前擦拭試樣表面油污，測量試驗前沖擊試樣側(cè)向原尺寸；沖擊試驗結(jié)束后記錄沖擊功，收集所有斷裂試樣，采用三種方法(游標(biāo)卡尺法/圖像分析法/儀器法)測量側(cè)向膨脹值，每種方法由三名試驗人員于同一時間同一地點嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書要求測量。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 測量時間對比

試驗人員在進行測量過程中記錄測量及計算過程所用時間：三個試驗員采用游標(biāo)卡尺法的平均測量時間為19 s；儀器法的平均測量時間(測試時間和計算時間)為93 s；圖像法的平均測量時間(測試時間和觀察時間)為64 s，如圖1所示，可見游標(biāo)卡尺測量用時最短，可顯著提高工作效率。

2.2 三種方法與真實值的比較分析

每個沖擊試樣采用三種方法進行側(cè)向膨脹值的測量，三種方法測量結(jié)果取平均值，此平均值最接近試樣側(cè)向膨脹值的真實值。

圖1 三種不同測量方法側(cè)向膨脹值平均時間對比圖Fig.1 Comparison of the average time of lateral expansion value tested by three different measurement methods

表1 三種不同測量方法與平均值之間的絕對差值

同一個試樣，不同方法測得的側(cè)向膨脹值與平均值之間絕對差值可間接反應(yīng)此方法的相對準(zhǔn)確性，本實驗中所有試樣不同方法測得的側(cè)向膨脹值與平均值之間絕對差值的平均值如下：游標(biāo)卡尺為0.089714；儀器法為0.061714；圖像法為0.098571，詳情見表1，三種不同測量方法與平均值之間絕對差值。

絕對差值越小，該方法的測量結(jié)果越接近平均值，從表1的計算結(jié)果可以看出儀器法的絕對差值比其他兩種方法更小，測得的數(shù)據(jù)最接近真實值。

2.3 三種方法對檢測人員的選擇性分析

不同檢測人員采用同一方法測量同一試樣所得側(cè)向膨脹值，同一方法不同檢測人員測量數(shù)據(jù)的極差越大，說明不同檢測人員測量結(jié)果的差異性越大，圖像法由不同檢測人員測量值之間極差的平均值為0.236857143；儀器法為0.091052632；游標(biāo)卡尺法為0.032571429。

由以上結(jié)果可知：圖像法對不同檢測人員最敏感，不同的檢測人員測得的檢測數(shù)據(jù)差異項最大，而游標(biāo)卡尺對檢測人員的選擇性最低，即：圖像法>儀器法>游標(biāo)卡尺。

2.4 側(cè)向膨脹值表征韌脆轉(zhuǎn)變過程

本文以12Cr2Mo1R鋼為研究對象，不同溫度下側(cè)向膨脹值表征韌脆轉(zhuǎn)變[3-4]曲線如圖2所示，不同溫度下側(cè)向膨脹值表征韌性的曲線可知：溫度在-60 ℃以上12Cr2Mo1R鋼處于韌脆轉(zhuǎn)變上平臺，發(fā)生韌性斷裂，斷口為韌窩形貌；-60～-80 ℃材料處于韌脆轉(zhuǎn)變過渡區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)斷口呈現(xiàn)混合形貌；-80 ℃以下進入下平臺，在此溫度下材料發(fā)生脆性斷裂，斷口呈現(xiàn)出的解理形貌。與文獻[5]得出的12Cr2Mo1R鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度大約在-85～-105 ℃基本一致。

圖2 不同溫度下側(cè)向膨脹值表征材料韌性Fig.2 Characterizing material toughness by lateral expansion value at different temperatures

3 結(jié)論

從三種不同方法的準(zhǔn)確性、檢測效率和對檢測人員的依賴性三方面分析結(jié)果可知：三種方法的準(zhǔn)確性均較好，但儀器法的絕對差值比其他兩種方法更小，儀器法所測得數(shù)據(jù)最接近真實值；游標(biāo)卡尺測量方法檢測效率遠高于另外兩種方法；圖像法對不同檢測人員最敏感，不同的檢測人員測得的檢測數(shù)據(jù)差異項最大，而游標(biāo)卡尺對檢測人員的選擇性最低，即：圖像法>儀器法>游標(biāo)卡尺。

因此，12Cr2Mo1R鋼在-40 ℃以上較高溫度試驗時，材料韌性處于上平臺時，側(cè)向膨脹值較大，采用游標(biāo)卡尺法效率高，對人員選擇性低，同時準(zhǔn)確性高；當(dāng)沖擊試驗溫度低于80 ℃，側(cè)向膨脹值基本小于1 mm，為使檢測結(jié)果更精確宜采用儀器法；當(dāng)材料韌性處于過渡區(qū)域時，根據(jù)客戶要求以及最終產(chǎn)品服役環(huán)境確定方法。