厚板取樣部位對(duì)低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響探究

宋鴻印，賈海偉，王勇，項(xiàng)美輝，馬曉云，李健

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 前言

金屬材料在使用過(guò)程中要求有足夠的強(qiáng)度、塑性和韌性。金屬材料的韌性是材料在塑性變形、彈性變形和斷裂的過(guò)程中吸收能量的能力。韌性好的材料在服役條件下不至于突然發(fā)生脆性斷裂，從而保障在使用過(guò)程中的安全性。

夏比沖擊試驗(yàn)方法是檢測(cè)產(chǎn)品力學(xué)性能的重要手段之一，沖擊試驗(yàn)在檢驗(yàn)材料質(zhì)量?jī)?nèi)部缺陷，脆性轉(zhuǎn)變和熱處理等方面比其它力學(xué)性能試驗(yàn)更加敏感，因而廣泛用于評(píng)定金屬材料在沖擊載荷下的韌脆特性[1-3]。由于金屬材料的沖擊性能對(duì)材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、宏觀缺陷及試驗(yàn)條件都很敏感，所以影響夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果因素很多，文章主要研究了在厚度方向不同取樣部位對(duì)低溫沖擊試驗(yàn)的影響。

2 試驗(yàn)方法

2.1 沖擊試驗(yàn)原理

沖擊試驗(yàn)是利用能量守恒原理用擺錘沖擊試樣，而試樣沖擊吸收的能量就是擺錘試驗(yàn)前后的勢(shì)能差[4]，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，將材料按要求加工成規(guī)定形狀的試樣置于A處，把擺錘置于H處，自由落下，用擺錘打擊試樣。

圖1 沖擊試驗(yàn)原理圖

2.2 材料與試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為H60mm 厚的Q355NE 和H50mm厚的Q345qE 鋼板，按照GB/T2975-2018 中要求，鋼板寬度1/4處截取中樣坯，在中樣坯上制取55mm×10mm×10mm 的V 型缺口試樣，在平行于軋制方向（縱向）取樣，取樣位置分別在板厚1/2處、1/3處、1/4處、1/5處、1/6處和1/8處。每個(gè)取樣位置處制備3個(gè)沖擊樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，采用GB/T 229-2007 標(biāo)準(zhǔn)中的方法，在-40℃低溫下用NI500F全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

用DMI5000M 倒置式光學(xué)顯微鏡對(duì)取樣鋼板的金相組織和夾雜物含量進(jìn)行觀察和分析，利用光譜分析方法檢測(cè)取樣鋼板的化學(xué)成分。

3 結(jié)果與分析

對(duì)選用的材料Q345qE 鋼板、Q355NE 鋼板的試樣分別編號(hào)為1、2，試樣1、試樣2 分別有6 組試樣，對(duì)試樣的化學(xué)成分、力學(xué)性能、不同取樣部位的沖擊結(jié)果、金相組織及夾雜物進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3.1 化學(xué)成分分析

取樣鋼板（Q345qE、Q355NE）的化學(xué)成分見(jiàn)表1，符合GB/T714-2015、GB/T1591-2018 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.2 力學(xué)性能測(cè)試分析

取樣鋼板（Q345qE、Q355NE）力學(xué)性能（表2）符合GB/T714-2015、GB/T1591-2018 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

3.3 不同部位處沖擊結(jié)果分析

不同取樣部位處沖擊試驗(yàn)所得試樣的沖擊結(jié)果見(jiàn)表3，以表3 中1/4處的Akv 均值為基準(zhǔn)，計(jì)算出其余取樣部位處Akv 均值與1/4處Akv 均值的增減百分比，見(jiàn)表4，由表3 中Akv 均值繪制出沖擊結(jié)果隨著厚度方向取樣部位變化的曲線。

表3 不同取樣部位處沖擊值A(chǔ)kv

表4 樣板1/4處Akv 均值的增減百分比 %

圖2 沖擊結(jié)果隨著取樣部位變化的曲線圖

以1/4處的Akv 均值為基準(zhǔn)，根據(jù)表3、表4 和圖2 可知：試樣1 在板厚1/8處、1/6處、1/5處、1/3處、1/2處出取樣，其Akv 均值分別比1/4處高36J、高29J、高24J、低22J、低68J；試樣2 在板厚1/8處、1/6處、1/5處、1/3處、1/2處出取樣，其Akv 均值分別比1/4處高17J、高11J、高16J、低22J、低89J。以百分比表示，試樣1 其他取樣部位分別比1/4處高20%、高16%、高13%、低12%、低37%；試樣2 其他取樣部位分別比1/4處高17%、高11%、高16%、低22%、低90%。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，隨著取樣位置從鋼板表層到芯部的變化過(guò)程中，鋼板的沖擊值從高到低逐漸遞減。

3.4 夾雜物及金相組織分析

試樣1 和試樣2 的夾雜物評(píng)級(jí)和金相組織見(jiàn)表5。圖3、4、5 分別為試樣1、2 的1/2、1/4、1/8處的金相組織。

表5 取樣鋼板的金相分析

圖3 試樣1 和試樣2 的1/2處金相組織圖

圖4 試樣1 和試樣2 的1/4處金相組織圖

圖5 試樣1 和試樣2 的1/8處金相組織圖

由于鋼板在冷熱變形加工的過(guò)程中，變形量處處不會(huì)均勻，金屬材料內(nèi)部金屬組織和各種缺陷的分布也不均勻[5]。鋼板在軋制的過(guò)程中，一般要經(jīng)過(guò)控冷處理，在鋼板上下表面同時(shí)用冷卻水處理，表面降溫速度大于中部，所以鋼板表層組織要比芯部更細(xì)小，即鋼板表層到芯部晶粒逐漸變細(xì)小[6]。在鋼板軋制的過(guò)程中，其中心溫度一直高于表層溫度，在軋制與冷卻的過(guò)程中由于表層溫度的減小阻止了晶粒長(zhǎng)大，而鋼板中心溫度大于表層，晶粒長(zhǎng)大的速度要大于表層，所以鋼板的中心晶粒大于表層晶粒[7]。鋼板從表層到中心部位的晶粒度結(jié)果如表6所示。

表6 鋼板表層到中心部位晶粒度的大小

通過(guò)金相分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所得沖擊的變化與晶粒度有一定相關(guān)性，隨著鋼板表層到芯部晶粒度逐漸減小，沖擊值也隨著降低，材料芯部韌性變差。

4 結(jié)論

（1）金屬材料沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響因素較多，以Q345qE 和Q355E 厚板材料為研究對(duì)象，研究在厚度方向不同取樣部位對(duì)厚板低溫沖擊的影響趨勢(shì)。其結(jié)果表明隨著取樣位置從鋼板表層到芯部的變化過(guò)程中，沖擊值從高逐漸降低，芯部沖擊韌性最差。

（2）依據(jù)金相組織分析可知，鋼板表層到芯部晶粒度逐漸減小，沖擊值也隨著降低，說(shuō)明晶粒度的大小對(duì)材料的沖擊結(jié)果有影響。