分享：摆锤冲击吸收能量和断口测量结果的关系
邹 鹏
(沈阳鼓风机集团股份有限公司,沈阳 110869)
摘 要:对于不同金属材料,分别采用夏比 U 型缺口试样和夏比 V 型缺口试样进行冲击吸收能 量测试,并对夏比 V 型缺口试样断口的剪切断面率和侧膨胀值进行测量,研究了不同缺口形式的 冲击吸收能量测试结果之间的关系,以及夏比 V 型缺口试样的冲击吸收能量和断口测量结果之间 的关系。研究结果可为韧性测试标准的制定提供技术支持。
关键词:冲击试验;冲击吸收能量;剪切断面率;侧膨胀值 中图分类号:TB31;TG115.5+6 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)11-0011-04
许多机械零件在服役时经常受到冲击载荷的作 用,为了评定金属材料传递冲击载荷的能力,揭示金 属材料在冲击载荷作用下的力学行为,需要对材料 进行相应的力学性能测试,即对缺口试样进行冲击 试验,以测定材料的冲击韧性。冲击韧性是指材料 在冲击载荷作用下吸收塑性变形能量和断裂能量的 能力,测试设备为摆锤式冲击试验机,测试方法为: 将试样水平放在试验机支座上,缺口位于冲击反方 向,然后将具有一定质量的摆锤举至一定高度 H1, 使摆锤获得一定的位能 mgH1,随后释放摆锤冲击 试样,摆锤的剩余能量为 mgH2,则摆锤冲击试样 失去的 势 能 为 mgH1 -mgH2,即 为 冲 击 吸 收 能 量,用 Ak 表示,单位为J。目前标准试样为夏比 U 型缺口和夏比 V 型缺口试样,标准试样尺寸(长× 宽×高)为10mm×10mm×55 mm,缺口深度均 为2mm,不同缺口试样测得的冲击吸收能量分别 记为 KU2 和 KV2。目前国内标准仍然使用两种缺 口形式试样,而美国 ASTM 和 ASME标准中只使 用夏比 V 型缺口试样。一般标准的要求为 KU2≥ 40J或者 KV2 ≥27J,因 为 V 型 缺 口 试 样 更 为 敏 感,所以在相同材料及热处理工艺下,试样的 KV2 测试结果比 KU2 低。笔者将不同材料进行热处理 后,分别测定 材 料 在 两 种 缺 口 形 式 下 的 冲 击 吸 收 能量,并研究了材料 KV2 的测试 结 果 与 试 样 冲 击 断口测量结 果 之 间 的 关 系,给 韧 性 测 试 标 准 的 制 定提供了技术支持。
1 试验材料及制备方法
采用了18种金属材料,包括碳素结构钢、低碳 低合金钢、中碳低合金钢、马氏体不锈钢、马氏体沉淀硬化 不 锈 钢,进 行 相 应 热 处 理,加 工 成 规 格 为 100mm×300mm(直径×长度)的圆形锻件。各试 样的 热 处 理 工 艺 分 别 为:20 钢 是 正 火 + 回 火; 20CrMo 钢、45 钢、35CrMo 钢、35CrMoV 钢、 40CrNiMoA 钢和 42CrMoE 钢是正火 + 淬火 + 回 火;X12Cr13钢、12Cr13钢和1Cr17Ni2钢是淬火+ 回火;2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-V 低碳合金钢是亚 温淬火+回火;沉淀硬化不锈钢 FV520(B)是固溶 化、调整 和 不 同 时 效 温 度 处 理,其 中 固 溶 化 选 用 1050 ℃空冷,调 整 选 用 850 ℃ 油 冷,固 溶 化 和 调 整、调整和时效处理需要一定的间隔时间[1],试样表 面恢复到室温(25 ℃)后,在480,500,550,580 ℃时 效温度下进行热处理。 18个试样全部进行热处理后,用线切割方法纵 向取样。拉伸试样、冲击试样和硬度试样在距离材 料表面1/3半径处取样。拉伸试样为 5 倍标距试 样,加工成标距为30 mm,平行部分直径为 6 mm 的圆棒状拉伸试样。冲击试验需要加工5个试样, 其中2个为夏比 U 型缺口,另外3个为夏比 V 型缺 口,深度均为2mm,试验设备为 RAS250型万能试 验机。依照 GB/T228.1—2021 《金属材料 拉伸试 验 第1部分:室温试验方法》的要求对试样进行拉 伸试验,依照 GB/T229—2020 《金属材料 夏比摆 锤冲击试验方法》的要求对试样进行冲击试验。
2 不同缺口形式试样的 KU2 和 KV2 测试结 果的关系
不同材料热处理后的力学性能测试结果如表1 所示,将表1数据进行整理,绘制成 KU2 与 KV2 的 关系曲线(见图1)。由表1和图1可知:碳素结构 钢和低合金钢的抗拉强度和屈服强度较低,冲击韧 性较高,且当试样的冲击吸收能量约为 200J时, KV2 略低于 KU2,KV2 与 KU2 的比值接近于1;马氏 体不锈钢材料的冲击韧性较差;2.25Cr-1Mo钢作为 低碳合金钢,在高强度区域仍然拥有一定的冲击韧 性;同种材料经相同热处理工艺后,其 V 型缺口试 样的27J冲击吸收能量大致对应 U 型缺口试样的 60J冲击吸收能量。KU2≥40J和 KV2≥27J为目 前普遍使用的两种冲击韧 性 验 收 条 件,当 KU2 为 50J的试样再加工成 V 型缺口试样后,试样的 KV2 仅为20J,此时试样能满足 KU2≥40J的验收要求, 但 不 能 满 足 KV2 ≥ 27 J 的 验 收 要 求,所 以 KV2≥27J的验收要求比 KU2≥40J严格。
3 KV2 与断口测量结果的关系
3.1 韧-脆转变温度(FATT50)
冲击试样断口存在纤维区、放射区与剪切唇3 个部分,有时在断口上还可以看到2个纤维区,且放 射区位于2个纤维区之间。出现 2 个纤维区是因 为:试样受冲击时,缺口一侧受拉伸作用,裂纹首先 在缺口处形成,并沿厚度两侧及深度方向扩展,因为 缺口处是平面应力状态,若试样具有一定的塑性,则 在裂纹扩展过程中会形成纤维区;当裂纹扩展到一 定深度时,出现平面应变状态,裂纹快速扩展并形成 结晶区,到了压缩区之后,因为应力状态发生变化, 所以裂纹扩展速率再次减小,出现了纤维区[2]。冲 击试验结果表明,随着试验温度下降,冲击吸收能量 下降,纤维区面积减小,结晶区面积增大。当结晶区 占整个断口面积50%(剪切断面率为50%)时的温 度即为FATT50。 将沉 淀 硬 化 不 锈 钢 ASTM A705type630 经 480,550,580,620 ℃时效温度处理后,进行 KV2 和 剪切断面率测试,结果如表2所示,其中620M 为增 加 调 整 处 理 的 试 样。 从 表 2 可 以 看 出,当 KV2>200J时,剪切断面率为 100%,随着 KV2 的 下降,剪切断面率也呈下降趋势,FATT50 对应的 KV2 约为 50~55J。将 ASTM A705type630-480 和 ASTM A705type630-550冲击试样的断口用扫描 电镜(SEM)观察,结果如图2所示。由图2可知: ASTM A705type630-480冲击试样断口为准解理 +韧性断口,可见解理状态的丝状物质[3],剪切断面 率<50%;ASTM A705type630-550冲击试样断口 完全为韧性断口,又有一定数量的韧窝,剪切断面率 >50%,可以判断 KV2 为27J时对应试样的断面为 准解理断口。
3.2 侧膨胀值(LE)
测量材料在夏比 V 型冲击试样缺口根部区域 承受三轴应力条件下抵抗断裂的能力[4],需要测量材料在这一区域的压缩变形量,因其测量比较困难, 所以通常采用断裂平面上缺口对面的膨胀值,即LE 代替压缩变形量,ASME 《锅炉及压力容器规范》中 规定不同零件最大有效厚度与LE 的关系如图3所 示。由图3可知:当零件最大有效厚度小于35mm 时,LE ≥0.40 mm;当 零 件 最 大 有 效 厚 度 大 于 70mm 时,LE≥0.60mm。
将 低 温 材 料 ASTM A182 F22 钢 和 ASTM A182F6NM 钢进行热处理后,测试材料的力学性 能及LE,结果如表3所示。从表3可以看出,不同 材料的 KV2 变化趋势均与LE 变化趋势一致。
4 结论
(1)由 于V型冲击试样缺口的敏感性较高,在相同材料、相同热处理条件下,KV2 <KU2。当 KU2 >180J时,KV2 略低于 KU2,冲击断口几乎为纤维 区,剪切断面率为100%。 (2)当 80J<KU2 <180J 时,KV2/KU2 为 0.5~0.8,随着冲击吸收能量下降,比例逐渐下降, 当 KU2<80J时,KV2/KU2 <0.5,冲击断口存在准 解理,剪切断面率<50%。 (3)剪切断面率和 KV2 存在一定的正比关系。 当剪切断面率为50%时,KV2 约为50J,此时应注 意材料的选择及热处理工艺的设计。 (4)LE 和 KV2 也存在一定的正比关系,当 KV2 >100J时,LE/KV2>0.01;当 KV2<100J时,LE/ KV2 约为0.01。 当 LE ≥ 0.40 mm,KV2 > 40 J 和 LE ≥ 0.60mm,KV2>60J时,应注意材料的选择及热处 理工艺的设计。
来源：材料与测试网
