擺錘沖擊吸收能量和斷口測量結(jié)果的關(guān)系

鄒 鵬

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，沈陽 110869)

許多機(jī)械零件在服役時(shí)經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷的作用，為了評定金屬材料傳遞沖擊載荷的能力，揭示金屬材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為，需要對材料進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能測試，即對缺口試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，以測定材料的沖擊韌性。沖擊韌性是指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，測試設(shè)備為擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，測試方法為：將試樣水平放在試驗(yàn)機(jī)支座上，缺口位于沖擊反方向，然后將具有一定質(zhì)量的擺錘舉至一定高度H1，使擺錘獲得一定的位能mgH1，隨后釋放擺錘沖擊試樣，擺錘的剩余能量為mgH2，則擺錘沖擊試樣失去的勢能為mgH1-mgH2，即為沖擊吸收能量，用Ak表示，單位為J。目前標(biāo)準(zhǔn)試樣為夏比U型缺口和夏比V型缺口試樣，標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸(長×寬×高)為10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度均為2 mm，不同缺口試樣測得的沖擊吸收能量分別記為KU2和KV2。目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)仍然使用兩種缺口形式試樣，而美國ASTM和ASME標(biāo)準(zhǔn)中只使用夏比V型缺口試樣。一般標(biāo)準(zhǔn)的要求為KU2≥40 J或者KV2≥27 J，因?yàn)閂型缺口試樣更為敏感，所以在相同材料及熱處理工藝下，試樣的KV2測試結(jié)果比KU2低。筆者將不同材料進(jìn)行熱處理后，分別測定材料在兩種缺口形式下的沖擊吸收能量，并研究了材料KV2的測試結(jié)果與試樣沖擊斷口測量結(jié)果之間的關(guān)系，給韌性測試標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及制備方法

采用了18種金屬材料，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、低碳低合金鋼、中碳低合金鋼、馬氏體不銹鋼、馬氏體沉淀硬化不銹鋼，進(jìn)行相應(yīng)熱處理，加工成規(guī)格為100 mm×300 mm(直徑×長度)的圓形鍛件。各試樣的熱處理工藝分別為：20鋼是正火+回火；20CrMo鋼、45鋼、35CrMo鋼、35CrMoV鋼、40CrNiMoA鋼和42CrMoE鋼是正火+淬火+回火；X12Cr13鋼、12Cr13鋼和1Cr17Ni2鋼是淬火+回火；2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-V低碳合金鋼是亞溫淬火+回火；沉淀硬化不銹鋼FV520(B)是固溶化、調(diào)整和不同時(shí)效溫度處理，其中固溶化選用1 050 ℃空冷，調(diào)整選用850 ℃油冷，固溶化和調(diào)整、調(diào)整和時(shí)效處理需要一定的間隔時(shí)間[1]，試樣表面恢復(fù)到室溫(25 ℃)后，在480，500，550，580 ℃時(shí)效溫度下進(jìn)行熱處理。

18個(gè)試樣全部進(jìn)行熱處理后，用線切割方法縱向取樣。拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣在距離材料表面1/3半徑處取樣。拉伸試樣為5倍標(biāo)距試樣，加工成標(biāo)距為30 mm，平行部分直徑為6 mm的圓棒狀拉伸試樣。沖擊試驗(yàn)需要加工5個(gè)試樣，其中2個(gè)為夏比U型缺口，另外3個(gè)為夏比V型缺口，深度均為2 mm，試驗(yàn)設(shè)備為RAS250型萬能試驗(yàn)機(jī)。依照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》的要求對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，依照GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的要求對試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

2 不同缺口形式試樣的KU2和KV2測試結(jié)果的關(guān)系

不同材料熱處理后的力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示，將表1數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制成KU2與KV2的關(guān)系曲線(見圖1)。由表1和圖1可知：碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低，沖擊韌性較高，且當(dāng)試樣的沖擊吸收能量約為200 J時(shí)，KV2略低于KU2，KV2與KU2的比值接近于1；馬氏體不銹鋼材料的沖擊韌性較差；2.25Cr-1Mo鋼作為低碳合金鋼，在高強(qiáng)度區(qū)域仍然擁有一定的沖擊韌性；同種材料經(jīng)相同熱處理工藝后，其V型缺口試樣的27 J沖擊吸收能量大致對應(yīng)U型缺口試樣的60 J沖擊吸收能量。KU2≥40 J和KV2≥27 J為目前普遍使用的兩種沖擊韌性驗(yàn)收條件，當(dāng)KU2為50 J的試樣再加工成V型缺口試樣后，試樣的KV2僅為20 J，此時(shí)試樣能滿足KU2≥40 J的驗(yàn)收要求，但不能滿足KV2≥27 J的驗(yàn)收要求，所以KV2≥27 J的驗(yàn)收要求比KU2≥40 J嚴(yán)格。

表1 不同材料熱處理后的力學(xué)性能測試結(jié)果

圖1 不同材料KU2與KV2的關(guān)系

3 KV2與斷口測量結(jié)果的關(guān)系

3.1 韌-脆轉(zhuǎn)變溫度(FATT50)

沖擊試樣斷口存在纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇3個(gè)部分，有時(shí)在斷口上還可以看到2個(gè)纖維區(qū)，且放射區(qū)位于2個(gè)纖維區(qū)之間。出現(xiàn)2個(gè)纖維區(qū)是因?yàn)椋涸嚇邮軟_擊時(shí)，缺口一側(cè)受拉伸作用，裂紋首先在缺口處形成，并沿厚度兩側(cè)及深度方向擴(kuò)展，因?yàn)槿笨谔幨瞧矫鎽?yīng)力狀態(tài)，若試樣具有一定的塑性，則在裂紋擴(kuò)展過程中會(huì)形成纖維區(qū)；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)，出現(xiàn)平面應(yīng)變狀態(tài)，裂紋快速擴(kuò)展并形成結(jié)晶區(qū)，到了壓縮區(qū)之后，因?yàn)閼?yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，所以裂紋擴(kuò)展速率再次減小，出現(xiàn)了纖維區(qū)[2]。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著試驗(yàn)溫度下降，沖擊吸收能量下降，纖維區(qū)面積減小，結(jié)晶區(qū)面積增大。當(dāng)結(jié)晶區(qū)占整個(gè)斷口面積50%(剪切斷面率為50%)時(shí)的溫度即為FATT50。

將沉淀硬化不銹鋼ASTM A705 type630經(jīng)480，550，580，620 ℃時(shí)效溫度處理后，進(jìn)行KV2和剪切斷面率測試，結(jié)果如表2所示，其中620M為增加調(diào)整處理的試樣。從表2可以看出，當(dāng)KV2>200 J時(shí)，剪切斷面率為100%，隨著KV2的下降，剪切斷面率也呈下降趨勢，F(xiàn)ATT50對應(yīng)的KV2約為50～55 J。將ASTM A705 type630-480和ASTM A705 type630-550沖擊試樣的斷口用掃描電鏡(SEM)觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：ASTM A705 type630-480沖擊試樣斷口為準(zhǔn)解理+韌性斷口，可見解理狀態(tài)的絲狀物質(zhì)[3]，剪切斷面率<50%；ASTM A705 type630-550沖擊試樣斷口完全為韌性斷口，又有一定數(shù)量的韌窩，剪切斷面率>50%，可以判斷KV2為27 J時(shí)對應(yīng)試樣的斷面為準(zhǔn)解理斷口。

表2 ASTM A705 type630熱處理后KV2和剪切斷面率的測試結(jié)果

圖2 ASTM A705 type630-480和ASTM A705 type630-550沖擊試樣斷口的SEM形貌

3.2 側(cè)膨脹值(LE)

測量材料在夏比V型沖擊試樣缺口根部區(qū)域承受三軸應(yīng)力條件下抵抗斷裂的能力[4]，需要測量材料在這一區(qū)域的壓縮變形量，因其測量比較困難，所以通常采用斷裂平面上缺口對面的膨脹值，即LE代替壓縮變形量，ASME 《鍋爐及壓力容器規(guī)范》中規(guī)定不同零件最大有效厚度與LE的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知:當(dāng)零件最大有效厚度小于35 mm時(shí)，LE≥0.40 mm；當(dāng)零件最大有效厚度大于70 mm時(shí)，LE≥0.60 mm。

圖3 不同零件最大有效厚度與LE的關(guān)系

將低溫材料ASTM A182 F22鋼和ASTM A182 F6NM鋼進(jìn)行熱處理后，測試材料的力學(xué)性能及LE，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，不同材料的KV2變化趨勢均與LE變化趨勢一致。

4 結(jié)論

(1) 由于V型沖擊試樣缺口的敏感性較高，在相同材料、相同熱處理?xiàng)l件下，KV2180 J時(shí)，KV2略低于KU2，沖擊斷口幾乎為纖維區(qū)，剪切斷面率為100%。

表3 不同低溫材料力學(xué)性能及LE的測試結(jié)果

(2) 當(dāng)80 J

(3) 剪切斷面率和KV2存在一定的正比關(guān)系。當(dāng)剪切斷面率為50%時(shí)，KV2約為50 J，此時(shí)應(yīng)注意材料的選擇及熱處理工藝的設(shè)計(jì)。

(4)LE和KV2也存在一定的正比關(guān)系，當(dāng)KV2>100 J時(shí)，LE/KV2>0.01；當(dāng)KV2<100 J時(shí)，LE/KV2約為0.01。

當(dāng)LE≥0.40 mm，KV2>40 J和LE≥0.60 mm，KV2>60 J時(shí)，應(yīng)注意材料的選擇及熱處理工藝的設(shè)計(jì)。