基于示波試驗法的500nvire鋼動態(tài)斷裂行為研究

基于示波試驗法的500nvire鋼動態(tài)斷裂行為研究

落葉松破裂試驗是1960年美國的一種改進(jìn)的試驗方法。為了適應(yīng)管道的傳輸，樣品的破口部分切面的數(shù)量sa（%）根據(jù)樣品的斷裂率確定管道的t變熱溫度。這是落錘斷裂試驗的由來。落錘撕裂試驗主要應(yīng)用于測定管道用鋼的裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變溫度,在管道的防斷安全設(shè)計中,轉(zhuǎn)變溫度是防止管道脆性斷裂的重要指標(biāo),多數(shù)管道標(biāo)準(zhǔn)已將落錘撕裂試驗列為管道用鋼的檢驗項目,并將轉(zhuǎn)變溫度作為交貨條件之一?？梢?落錘撕裂試驗有著十分重要的實用價值。落錘撕裂試驗具有很多獨(dú)特的優(yōu)點:首先,根據(jù)試樣斷口確定的轉(zhuǎn)變溫度與筒形壓力容器斷裂擴(kuò)展的轉(zhuǎn)變溫度在同一范圍內(nèi);其次,在該范圍內(nèi),試樣斷口的表觀與壓力容器破壞時一樣,均呈現(xiàn)從剪切到解理的急劇轉(zhuǎn)變;第三,試驗結(jié)果具有試樣厚度效應(yīng),并與全尺寸容器斷裂擴(kuò)展的厚度效應(yīng)表現(xiàn)一致。鑒于這些特點,該方法已逐步向其它行業(yè)推廣,如海軍造船用鋼和其它工程用鋼等。由于落錘撕裂試驗具有較大的試樣尺寸,斷裂路徑較長,因此,同樣材料不同韌脆狀態(tài)下試樣撕裂功變化規(guī)律的差異明顯。在傳統(tǒng)的落錘試驗機(jī)上,只能根據(jù)試樣的剪切面積百分?jǐn)?shù)測定試樣的轉(zhuǎn)變溫度,但對落錘撕裂試樣的整個斷裂過程,包括裂紋萌生、擴(kuò)展及載荷、位移等均無法進(jìn)行分析和判斷。有關(guān)落錘撕裂試樣的斷裂過程的研究文獻(xiàn)很少,因此,需要對斷裂試樣的整個過程進(jìn)行分析,以便對材料的韌性水平作出合理的評價。1u3000試驗試驗材料選取板厚為5mm、10mm的連鑄14MnVTiRe鋼板,5mm板交貨狀態(tài)為熱連軋,10mm板為正火熱處理。試驗以5mm薄板為主要對象,用10mm板做驗證試驗。對比材料為6mm和8mm厚的連鑄10CrSiNiCu鋼板。試驗在美國生產(chǎn)的Dynatup8120試驗機(jī)上進(jìn)行,該試驗機(jī)最大沖擊能量為5306J,最大沖擊速度為6.9m/s。按照GB8363的要求,試樣尺寸為tmm×75mm×300mm,在試樣的中央單邊壓制出5mm的45℃尖銳缺口,以便從缺口引發(fā)裂紋。在試驗過程中,采用試驗軟件分析示波沖擊載荷-位移、能量-位移曲線,并按GB8363測定試樣在不同的試驗溫度下的剪切面積百分?jǐn)?shù)SA(%),對比其韌脆性。2材料的擴(kuò)展特性Dynatup8120型落錘沖擊試驗機(jī)能夠提供試樣斷裂過程的載荷、能量、變形及時間等瞬態(tài)變化的信息,因而提供了對材料動態(tài)斷裂過程進(jìn)行詳細(xì)研究的可能性。示波落錘撕裂試驗的變化曲線與示波沖擊試驗的變化曲線十分相似。對于落錘撕裂試驗,在載荷-位移曲線的開始階段,試樣缺口的根部首先開始彈性變形,沖擊載荷隨位移的增加而呈線性增加,載荷增加到一定程度后不再增加或載荷突然減小,此時試樣缺口的根部發(fā)生塑性變形,隨著形變硬化的產(chǎn)生,載荷再次增大達(dá)到最大值,隨后由于裂紋的擴(kuò)展,載荷逐漸下降。但由于落錘撕裂試樣具有較長的斷裂路徑,裂紋擴(kuò)展階段可能與沖擊試樣有所不同。圖1為落錘撕裂試驗的載荷-位移曲線。與示波沖擊曲線相似,最大載荷對應(yīng)的能量值A(chǔ)k1表示了落錘撕裂試樣缺口根部的彈性變形功和塑性變形功,此時裂紋已在缺口的根部形成,因此,Ak1表示試樣的裂紋萌生所消耗的能量,它主要與落錘撕裂試樣的應(yīng)力集中情況(如缺口尖銳度)和試樣表面狀態(tài)有關(guān)。裂紋擴(kuò)展功Ak23包括裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展功Ak2和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展功Ak3。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展功,主要反映了裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)裂紋萌生的難易程度,而裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展功Ak3則反映了試樣最后失穩(wěn)斷裂過程中的能量消耗。一般來說,Ak3較小,可用Ak23近似地代替Ak2。裂紋擴(kuò)展功Ak23能夠很好地反映材料的韌脆變化傾向。5mm厚14MnVTiRe鋼試樣斷裂曲線如圖2所示,可見,與沖擊曲線的不同之處在于,所有試樣在達(dá)到最大載荷而形成裂紋后都有一個載荷的突然降低階段,這是因為落錘撕裂試樣的缺口采用了壓制缺口,在壓制缺口的過程中,造成了缺口部位的形變硬化,因此,當(dāng)形成裂紋后,裂紋在形變硬化區(qū)快速傳播,造成載荷的突然降低。對于韌性斷裂,當(dāng)裂紋超出形變硬化區(qū)后,由于試樣材料本身具有良好的韌性,當(dāng)裂紋通過形變硬化造成的脆性區(qū)后,載荷隨著位移的增加緩慢降低,最后達(dá)到斷裂;而對于脆性斷裂,當(dāng)裂紋超出形變硬化區(qū)后,由于試樣本身也具有脆性特征,因此,形變硬化區(qū)和落錘試樣撕裂區(qū)成為一個脆性的整體,載荷將一直陡降到試樣斷裂為止。對于中間過渡區(qū)斷裂,則隨著溫度的降低,試樣脆性越來越大,造成載荷陡降區(qū)越來越大,緩慢降低區(qū)越來越小,最后達(dá)到完全脆斷。表1為落錘撕裂試驗結(jié)果,從表1的試驗結(jié)果來看,隨溫度的降低,落錘撕裂試樣承受的最大載荷變化不大,稍有降低,裂紋萌生功隨溫度的降低逐漸減小,而裂紋擴(kuò)展功在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)會產(chǎn)生急劇的降低,這不同于沖擊試樣的斷裂過程,因為落錘撕裂試樣有較大的撕裂路徑。對5mm厚的連鑄14MnVTiRe鋼板來說,當(dāng)Ak23?Ak1時,該試樣具有韌性斷裂特征;當(dāng)Ak23<Ak1時,試樣具有脆性斷裂特征;當(dāng)Ak23與Ak1基本相當(dāng)時,試樣處于中間韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)。在+5℃～-5℃之間,裂紋擴(kuò)展功從587J急劇下降到39J。因此可以判斷,該材料的轉(zhuǎn)變溫度(TFATT)基本處于+5℃～-5℃之間。實際試樣的剪切面積百分?jǐn)?shù)測定結(jié)果顯示轉(zhuǎn)變溫度為-4℃,與以上分析的結(jié)果吻合。6mm和8mm的連鑄10CrSiNiCu鋼的落錘撕裂試驗結(jié)果見表2。表2結(jié)果表明,6mm和8mm厚連鑄10CrSiNiCu鋼板落錘試驗也有類似的結(jié)果,當(dāng)裂紋擴(kuò)展功出現(xiàn)急劇降低時,表明試樣從韌性階段向脆性階段轉(zhuǎn)變。6mm板轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)在-70℃～-80℃之間,實際斷口測量結(jié)果為-73℃。8mm板轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)在-90℃～-100℃之間,實際斷口測量結(jié)果為-89℃。與實際測量結(jié)果很吻合。這表明,落錘撕裂試樣的斷裂數(shù)據(jù)與測量的剪切面積百分?jǐn)?shù)計算的結(jié)果有較好的對應(yīng)關(guān)系,采用斷裂曲線、數(shù)據(jù)來判斷落錘試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度是可行的,而且操作十分快捷、方便。相對連鑄14MnVTiRe鋼5mm板,在相同試驗溫度下,6mm和8mm的連鑄10CrSiNiCu鋼的落錘撕裂試樣有較大的裂紋擴(kuò)展功,隨溫度的降低,擴(kuò)展功逐漸降低,但即使在脆性階段,后者的裂紋擴(kuò)展功也大于或等于裂紋萌生功。這表明10CrSiNiCu鋼的韌性優(yōu)于14MnVTiRe鋼的,而這種韌性的差異主要反映在轉(zhuǎn)變溫度上。當(dāng)14MnVTiRe鋼的板厚增加到10mm時,韌性斷裂的裂紋擴(kuò)展功為3326J,裂紋萌生功為582J,均隨試樣厚度的增加而升高(見表1)。3材料的選擇和斷裂(1)落錘撕裂試樣的斷裂過程可以分為3個階段:裂紋萌生階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展功是試樣缺口根部裂紋萌生后進(jìn)行擴(kuò)展所消耗的能量,是評價材料韌性高低的依據(jù)之一。(2)5mm厚的連鑄14MnVTiRe鋼板,當(dāng)裂紋萌生功遠(yuǎn)小于裂紋擴(kuò)展功時,以韌性斷裂為主;當(dāng)裂紋萌生功大于裂紋擴(kuò)展功時,以脆性斷裂為主;當(dāng)裂紋萌生功與裂紋擴(kuò)展功相當(dāng)時,試樣的斷裂處于韌脆轉(zhuǎn)變點附近。(3)也可以用裂紋擴(kuò)展功的變化對材料的韌脆轉(zhuǎn)變進(jìn)行估計,當(dāng)裂紋擴(kuò)展功出現(xiàn)陡降時,預(yù)示著材料從韌性到脆性的轉(zhuǎn)變,50%TFATT溫度將出現(xiàn)在該區(qū)域。5mm連鑄14MnVTiRe鋼板和6mm、8mm連鑄10CrSiNiCu鋼板的落錘撕裂試驗結(jié)果和實際斷口測量結(jié)果基本相符,10CrSiNiCu鋼的韌性(轉(zhuǎn)變溫度和裂紋擴(kuò)展