12cr1mov鋼在不同溫度沖擊下的動(dòng)態(tài)斷裂行為

12cr1mov鋼在不同溫度沖擊下的動(dòng)態(tài)斷裂行為

材料的動(dòng)態(tài)衰減是異常因素的極端，動(dòng)載后單元的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度因素的限制值。這是材料的剛性參數(shù)，也是材料性能檢驗(yàn)和結(jié)構(gòu)安全的重要評(píng)價(jià)。它豐富了理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法，能夠準(zhǔn)確反映靜載后材料的抗斷裂擴(kuò)展能力，適合應(yīng)用于低溫球形壓力容器的抗疲勞動(dòng)器抗脆斷。材料的動(dòng)態(tài)斷裂軟度在實(shí)際應(yīng)用中非常重要，但k1d的測(cè)試存在許多困難，目前還沒有統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。本文采用Hopkinson壓桿裝置對(duì)試樣進(jìn)行沖擊加載,結(jié)合中國科技大學(xué)編寫的數(shù)據(jù)后處理程序軟件,測(cè)試了12Cr1MoV鋼不同溫度沖擊條件下動(dòng)態(tài)斷裂韌性.1材料和測(cè)試方法1.1測(cè)試過濾器試驗(yàn)選用厚度δ=16mm的12Cr1MoV鋼板(合金成分見表1).1.2不同設(shè)備退火試驗(yàn)采用如下的熱處理工藝:1050℃固溶處理2h,水冷;200℃退火2h;540℃回火500h.為節(jié)省試驗(yàn)材料、縮短熱處理周期、方便取樣,將毛坯試樣用石英管真空封裝后進(jìn)行500h的恒溫處理(真空度≥10-3Pa).1.3高頻疲勞實(shí)驗(yàn)熱處理后的毛坯精加工為10×10×55mm3的V型標(biāo)準(zhǔn)沖擊樣,尺寸及偏差符合GB/T229-1994的規(guī)定.試樣采用線切割(鉬絲直徑為0.13mm)開缺口,缺口深2.5mm,后在10t程序控制高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋至預(yù)定長度(約為試樣厚度的一半).2測(cè)試測(cè)試2.1壓氣槍、彈、輸入桿、信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本文采用Hopkinson壓桿型加載裝置.該裝置主要包括:壓氣槍、子彈、輸入桿、信號(hào)采集與處理系統(tǒng).子彈和輸入桿均為?14.5mm的高強(qiáng)鋼(60Si2Mn),子彈長度為30cm,輸入桿長度為80cm.2.2試驗(yàn)結(jié)果的理論分析沖擊響應(yīng)曲線(即動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子響應(yīng)曲線)的概念是一種完全動(dòng)態(tài)的分析方法,是指在動(dòng)載作用下,三點(diǎn)彎曲試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI(t)隨時(shí)間t的變化曲線.由于在動(dòng)態(tài)加載過程中,應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間是瞬態(tài)變化的,直接測(cè)量有一定的困難.而且,由于慣性力的作用,使得其解析解更難求得.本文采用間接法——確定試樣承受的沖擊載荷隨時(shí)間的變化歷史、計(jì)算試樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化歷史[KI(t)-t曲線]、測(cè)定起裂時(shí)間.在KI(t)-t曲線上,起裂時(shí)間所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子值即為材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌性.即:KI(t)=KId(t=tf).理論上,預(yù)裂紋三點(diǎn)彎曲試樣在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以簡化為圖1所示的彈簧-質(zhì)量模型.該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程(忽略阻尼力)為:meu(t)+K(a)u(t)=P(t)meu(t)+Κ(a)u(t)=Ρ(t)式中,me為試樣的等效質(zhì)量,u(t)為試樣加載點(diǎn)的位移,K(a)為含裂紋試樣的等效剛度,P(t)為作用于試樣上的動(dòng)載荷.基于上述的彈簧-質(zhì)量模型,中國科技大學(xué)編寫了數(shù)據(jù)后處理的程序軟件.本試驗(yàn)結(jié)合該軟件計(jì)算得到了材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌性值.2.3反射.反射脈沖t的計(jì)算試驗(yàn)時(shí),手動(dòng)調(diào)節(jié)壓氣槍膛內(nèi)高壓氣體的壓力,高壓氣體驅(qū)動(dòng)子彈,使之同心撞擊輸入桿,輸入桿中產(chǎn)生振幅恒定不變的壓縮脈沖.該脈沖傳到應(yīng)變片處,應(yīng)變片記錄信號(hào),即入射波εi(t).當(dāng)壓縮脈沖到達(dá)試樣時(shí),脈沖的一部分傳遞通過試樣,另一部分則因?yàn)闂U與試樣的橫截面以及它們的聲阻不匹配而被反射.反射脈沖通過應(yīng)變片,應(yīng)變片記錄信號(hào),即反射波εr(t)(圖2所示為試驗(yàn)采集到的典型的入射波與反射波).由一維應(yīng)力波理論可求得作用于試樣上的載荷P(t):P(t)=EA[εi(t)+εr(t)]Ρ(t)=EA[εi(t)+εr(t)]E為輸入桿的彈性模量;A為輸入桿的截面積;εi(t)為輸入桿上的入射脈沖;εr(t)為輸入桿上的反射脈沖.輸入桿中部粘貼的電阻應(yīng)變片測(cè)得輸入桿上的應(yīng)變信號(hào),這種短歷時(shí)、幅值高的瞬態(tài)信號(hào),經(jīng)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大后由智能測(cè)量分析儀(XGD1010)記錄.粘貼在裂尖處的應(yīng)變片(圖3)測(cè)得應(yīng)變信號(hào),應(yīng)變最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間減去應(yīng)力波從裂尖傳到應(yīng)變片所需的時(shí)間(圖4)即為起裂時(shí)間tf,即:tf=tmax?Lctf=tmax-Lc式中:c為應(yīng)力波傳播速度,c=Eρ??√c=EρL為裂紋起裂點(diǎn)到應(yīng)變片的距離.考慮到試樣厚度方向的尺寸效應(yīng),取L=(B2)2+r2g????????√.L=(B2)2+rg2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析3.1動(dòng)態(tài)斷裂韌性-實(shí)驗(yàn)溫度曲線試驗(yàn)結(jié)果見表2.據(jù)表2的數(shù)據(jù)擬合得圖5所示的材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌性-實(shí)驗(yàn)溫度曲線.由圖5可以看出曲線具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變傾向,曲線存在上平臺(tái)區(qū)、韌脆轉(zhuǎn)變過渡區(qū)及下平臺(tái)區(qū),韌脆轉(zhuǎn)變溫度DBTT為-4.3℃.3.2材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的12Cr1MoV鋼動(dòng)態(tài)斷裂韌性值需要進(jìn)行有效性檢驗(yàn).由于動(dòng)態(tài)加載條件下的檢驗(yàn)方法尚沒有建立,所以暫借用準(zhǔn)靜態(tài)條件下的檢驗(yàn)方法(ASTME399),參數(shù)采用動(dòng)態(tài)條件下的相應(yīng)值.借用文獻(xiàn)[]提供的經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算得材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度:σyd=σs+666517/[log(2+1010tf)(t+273)]?188.9σyd=σs+666517/[log(2+1010tf)(t+273)]-188.9式中,σs為室溫靜載下0.2%屈服強(qiáng)度(MPa);tf為試樣的起裂時(shí)間(s);t為實(shí)驗(yàn)溫度(℃).將相應(yīng)的參數(shù)代入上式,得材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度σyd值(見表3).線彈性斷裂韌性有效性檢驗(yàn)的條件:(1)是否滿足平面應(yīng)變厚度條件B≥2.5(K1d/σyd)2B≥2.5(Κ1d/σyd)2(2)是否滿足載荷比條件PmaxPd<1.10ΡmaxΡd<1.10試驗(yàn)用樣的厚度為10mm,由表3中的數(shù)據(jù)知,所得結(jié)果數(shù)據(jù)均滿足平面應(yīng)變厚度條件及載荷比條件.所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效.4kid-t分析4.1采用Hopkinson壓桿裝置對(duì)試樣沖擊加載,液氮和酒精調(diào)節(jié)試驗(yàn)溫度,完成了12Cr1MoV鋼系列溫度沖擊條件下動(dòng)態(tài)斷裂韌性的測(cè)試.4.2獲得了12Cr1MoV鋼的KId-t曲線,該曲線具有明顯的