分享：试样厚度对夏比冲击试验结果的影响

丁 (上海电气核电设备有限 阳 公司,上海 201306) 

摘 要:通过不同温度下的夏比摆锤冲击试验对非标准小尺寸 V 型缺口冲击试样的冲击吸收能 量和侧膨胀值进行了分析,并结合力-位移曲线,研究了试样厚度对冲击试验结果的影响。结果表 明:当试验温度高于韧脆转变温度时,冲击吸收能量与试样的横截面积有关,因此与厚度呈线性关 系;而低于韧脆转变温度时,冲击吸收能量与试样厚度之间没有明显关系;试样的侧膨胀值、剪切断 面率与厚度之间没有直接联系。随着试样厚度的减小,不稳定裂纹扩展起始力越来越小,从而导致 冲击吸收能量减小。厚度越大试样吸收的能量越多,冲击过程中所受到的最大力也越大。

关键词:小尺寸试样;冲击吸收能量;侧膨胀值;示波冲击;力-位移曲线 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)03-0046-04

冲击试验因其试样加工简便,试验时间短,试验 数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价 金属材料冲击韧性应用最广泛的一种传统力学性能 试验,也是评定金属材料在冲击载荷下韧性的重要 手段之一[1],其中夏比冲击试验是目前工业标准化 程度最高的材料低温韧性评价方法[2]。在实际的试 样加 工 中,由 于 某 些 薄 板 的 厚 度 不 够,无 法 制 取 10mm×10mm 标准尺寸的夏比冲击试样[3],不得不 考虑采用10mm×7.5mm,10mm×5mm 等小尺寸 试样来进行冲击试验[4]。小尺寸试样的冲击试验结 果对保证材料质量具有重要意义,目前相关研究主要 集中在材料的冲击上平台吸收能量,即全塑性断口, 而对于其他温度的研究较少,为分析材料在不同温度 下试样厚度对于冲击试验结果的影响规律,笔者采用 小尺寸试样进行了一系列的试验和研究。

1 试验方法 

1.1 试验材料与试验设备

冲击试验使用某锻件厂提供的材料各项性能均匀的SA508-3 钢,将其加工成 10 mm×10 mm× 55mm,10 mm ×7.5 mm ×55 mm,10mm× 6.7mm×55mm,10mm×5mm×55mm 等4种厚 度的冲击试样;试验采用 RKP450IWI型全自动高低 温示波冲击试验机,其最大冲击吸收能量为450J。 

1.2 标准对小尺寸试样

冲击吸收能量的要求 ASTM A673/A673M - 2017 Standard SpecificationforSamplingProcedureforImpact TestingofStructuralSteel 对不同尺寸试样的冲 击吸收能量的要求如表1所示。 根据表1可知,标准对冲击吸收能量的要求与 试样的厚度呈正比,而对于试样的侧膨胀值及剪切 断面率,则没有具体的要求[5]。 

1.3 试验方法 

首先用加工后的一批落锤试样测试该材料的无 延性 转 变 温 度 (TNDT)[6],当 落 锤 试 验 进 行 到 -40 ℃时,落锤试样断裂,而-35 ℃时两个试样均 未断 裂,由 ASTM E208-2017 Standard Test Method for Conducting Drop-Weight Test to DetermineNil-DuctilityTransitionTemperature ofFerriticSteels可知该材料的 TNDT 为-40 ℃。 选取-60~60 ℃作为冲击试验温度,每间隔20 ℃ 为一个梯度设置冲击试验温度,并在每个温度梯度 下分别对上述4种不同尺寸的两个试样进行冲击试 验,测量并记录试样的冲击吸收能量、侧膨胀值及剪 切断面率等试验数据。

2 试验结果 

2.1 试样厚度对冲击吸收能量的影响 

不同厚 度 试 样 的 冲 击 吸 收 能 量-温 度 曲 线 如 图1所示;不同厚度试样的冲击吸收能量比值与试 样厚度关系如图2所示,其中尺寸比值折线所对应的是4种尺寸试样厚度与标准尺寸试样厚度的比 值,即1,0.75,0.67,0.5,其余7条折线代表的是在 不同温度下4种尺寸试样的冲击吸收能量与标准尺 寸试样的冲击吸收能量比值。 

由图1可知,4条曲线在-40 ℃左右出现了明 显的不同,具体表现为随试样厚度增加,曲线斜率明 显增大,这是因为此时的温度处于该材料的韧脆转 变温度。通常此转变温度被定义为吸收能量突然增 加(或减少)时对应的温度,此时断裂模式由韧性断 裂转为脆性断裂[3]。同时,4条曲线出现较大能量 变化的温度范围基本相同,即改变冲击试样的厚度 并不会影响到通过冲击吸收能量-温度曲线得出的 该材料的韧脆转变温度。 由图2可知,当试验温度高于该材料的韧脆转 变温度,即处于上平台温度时,各条冲击吸收能量比 值折线与尺寸比值折线相互重合,即冲击吸收能量 与试样厚度之间呈线性关系。是因为此时冲击试样 为韧性断裂,而韧性断裂时冲击吸收能量受其他因 素影响较小,仅和试样的横截面积有关。 当试 验 温 度 降 低 到 材 料 的 韧 脆 转 变 温 度 (-40 ℃)时,冲击吸收能量比值折线开始偏离尺寸 比值折线,即冲击吸收能量与试样厚度之间没有线 性关系,此时冲击试样属于脆性断裂。由于几乎不 产生塑性变形,横截面积对于冲击吸收能量的影响 可以忽略不计,甚至当冲击试样厚度增大时,试样的 力学约束程度增加,从而降低了冲击吸收能量,这也 解释了为什么在-60~-40 ℃时,试样的冲击吸收能量几乎没有变化。 

2.2 试样厚度对侧膨胀值的影响 

不同厚度试样的侧膨胀值-温度曲线如图3所 示,可知随着试验温度的升高,侧膨胀值也增大,但 是在任一个温度下,不同厚度试样的侧膨胀值相差 很小,这也意味着侧膨胀值对于某个具体的材料来 说是一个稳定的常数,仅仅与试验温度有关,而与试 样的厚度没有明显的关系。通常定义的侧膨胀值指 的是冲击试样断裂后断口两侧最大膨胀量之和[7]。 而产生侧膨胀的原因是当材料在冲击过程中受到平 面应力时,会产生裂纹,裂纹扩展向外挤压,对于不 同厚度的试样来说,无论是脆性或韧性断裂,裂纹扩 展能量总是相同的,所以侧膨胀值也不变。

2.3 试样厚度对剪切断面率的影响 

不同厚度试样的剪切断面率-温度曲线如图 4 所示,可见4种厚度试样的曲线斜率在-40 ℃时发 生剧烈的变化,即试验温度低于韧脆转变温度时,剪切断面率也会迅速降低。而4条曲线相互之间的差 异同侧膨胀值曲线的基本一致,也说明了剪切断面 率和试样厚度之间没有明显的关系。 

2.4 试样厚度对特征值的影响 

图5为20 ℃时4种不同厚度试样的力-位移 曲线,在力-位移曲线中,冲击吸收能量 Wt 就是曲 线和横坐标之间的面积[8]。观察4条曲线可以发 现,随着试样厚度的减小,曲线和横坐标之间的面 积也在逐渐减小,即冲击吸收能量 Wt 减 小;另 一 个特征值最大力 Fm 是冲击试样在冲击试验过程 中受到的最大力,由曲线可以看出,试样吸收的能 量越大,则 冲 击 过 程 中 所 受 到 的 最 大 力 也 越 大。 随厚度的 减 小,不 稳 定 裂 纹 扩 展 起 始 力 Fiu,即 曲 线在最大力之后开始急剧下降的力,也越来越小, 导致试样产 生 的 裂 纹 扩 展 能 量 也 越 小,从 而 导 致 冲击吸收能量减小。

2.5 试样厚度对断口形貌的影响 

图6是试验温度为20 ℃时不同厚度试样冲击 断口的宏观形貌,可见对于不同厚度的试样,断口形 貌基本相同,均为韧性断裂,结合图3的侧膨胀值曲 线发现,断口与试样的厚度并无直接联系,与前文通 过曲线得出的结论吻合。

3 结论 

(1)当试验温度高于韧脆转变温度时,冲击吸 收能量与试样的横截面积有关,因此与厚度呈线性 关系。而低于韧脆转变温度时,冲击吸收能量与试 样厚度之间没有明显关系。 (2)试样的侧膨胀值、剪切断面率、断口形貌与 厚度之间没有直接联系。 (3)随着试样厚度的减小,不稳定裂纹扩展起 始力越来越小,导致试样产生的裂纹扩展能量也越 小,从而导致冲击吸收能量减小。厚度越大,试样吸 收的能量越多,冲击过程中所受到的最大力也越大。

来源：材料测试网