陳靜華，趙 華，吳澤南，張春娥

（舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 舟山 316021）

工藝與材料

AH32船用鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試與分析

陳靜華，趙 華，吳澤南，張春娥

（舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 舟山 316021）

研究AH32船用鋼板在不同試樣尺寸下的韌性沖擊功和斷面纖維率與溫度之間的關(guān)系，并利用Boltzmann函數(shù)擬合法對(duì)不同厚度的AH32船用鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：擬合得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線各不相同，試樣越厚，測(cè)得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高。同時(shí)，通過掃描電鏡對(duì)各尺寸試樣的斷面進(jìn)行起裂處的斷口分析，結(jié)果也表明，試樣越厚，其出現(xiàn)脆性斷面的溫度越高。這說明船體實(shí)際呈現(xiàn)脆性趨勢(shì)的溫度要高于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)得到的溫度，按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)船體設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用是偏于危險(xiǎn)的。

船用鋼板；韌脆轉(zhuǎn)變溫度；Boltzmann函數(shù)；斷口分析

0 引 言

當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某一溫度時(shí)，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口由纖維狀態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)，這就是低溫脆性，該溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度[1]。若船舶在低溫環(huán)境中航行，則當(dāng)環(huán)境溫度低至船用材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)時(shí)，船舶就會(huì)有發(fā)生脆性斷裂的危險(xiǎn)，從而引發(fā)海難事故。因此，準(zhǔn)確測(cè)量材料實(shí)際的韌脆轉(zhuǎn)變溫度十分重要。

影響材料的脆性和韌性的因素有很多，主要包括材料的微結(jié)構(gòu)、晶粒大小、結(jié)構(gòu)成分、應(yīng)力狀態(tài)、溫度和樣品的結(jié)構(gòu)尺寸等[2]。材料實(shí)際的應(yīng)用狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試狀態(tài)主要改變應(yīng)力狀態(tài)、溫度及樣品的結(jié)構(gòu)尺寸等3個(gè)參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的結(jié)論，沖擊試樣的尺寸對(duì)沖擊功有巨大影響，本文通過改變樣品結(jié)構(gòu)的尺寸來研究AH32船用鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

1 材料和試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為船用AH32中厚板，厚度為20mm，試樣加工成的尺寸（長×寬×高）有：55mm×10.0mm×10mm，55mm×12.5mm× 10mm，55mm×15.0mm×10mm，55mm×17.5mm×10mm和55mm× 20.0mm×10mm。降低由于材質(zhì)不均勻造成的試驗(yàn)結(jié)果偏差，采用退火工藝（見圖1）對(duì)樣品進(jìn)行熱處理。退火處理后在ZBC2302-3微機(jī)控制低溫全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行系列溫度的沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為-20℃，-30℃，-40℃，-50℃，-60℃，-70℃，-80℃，-90℃，-100℃和-110℃。試驗(yàn)參考GB/T 229—2007中給出標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[4]中給出的方法進(jìn)行。

沖擊試驗(yàn)完成之后，利用ZEISS公司生產(chǎn)的SUPRA55型掃描電子顯微鏡觀察沖擊后試樣的斷口，對(duì)不同溫度下斷口起裂處的微觀形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

對(duì)選用的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試和掃描電鏡斷口分析。

2.1 化學(xué)成分分析

取樣船用鋼板（AH32船用鋼板）的化學(xué)成分見表1，符合GB 712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)AH32的相關(guān)要求。

表1 AH32船用鋼板化學(xué)成分 m%

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

AH32船用鋼板力學(xué)性能見表2，符合GB 712—2011相關(guān)要求。沖擊試驗(yàn)進(jìn)行分層取樣，試驗(yàn)結(jié)果表明上下層測(cè)試數(shù)據(jù)一致，符合測(cè)試要求。

表2 AH32船用鋼板力學(xué)性能

2.3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試

從取樣鋼板上取55mm×10.0mm×10mm，55mm×12.5mm×10mm，55mm×15.0mm×10mm，55mm×17.5mm× 10mm和55mm×20.0mm×10mm等5種規(guī)格型號(hào)的試樣各10組，分別在-20℃，-30℃，-40℃，-50℃，-60℃，-70℃，-80℃，-90℃，-100℃和-110℃溫度下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。利用Boltzmann函數(shù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對(duì)沖擊功-溫度曲線進(jìn)行擬合可取得良好的效果[5]。

Boltzmann函數(shù)模型為

式(1)中：w為沖擊功，J；a1為下平臺(tái)值，J；a2為上平臺(tái)值，J；t為溫度值，℃；t0為對(duì)應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，℃；Δt為與韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)寬度相關(guān)的參數(shù)。利用Origin軟件中的非線性回歸功能，通過Boltzmann函數(shù)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。圖2為各尺寸試樣在各溫度點(diǎn)下的沖擊功-沖擊溫度擬合圖（韌脆轉(zhuǎn)變溫度擬合圖）。

表3 AH32船用鋼板沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2中各種尺寸試樣的沖擊功-沖擊溫度曲線均近似呈S型[6]，但同種材料不同厚度試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度是不同的。隨著試樣厚度的增大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度逐漸向高溫方向移動(dòng)。此外，5種尺寸試樣的脆性趨勢(shì)也是不同的，厚度越大，其脆性趨勢(shì)越強(qiáng)。

材料的失效形式主要有脆性斷裂和屈服2種，都各自對(duì)應(yīng)不同的強(qiáng)度理論。經(jīng)典力學(xué)理論認(rèn)為，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)件中某點(diǎn)的最大主拉應(yīng)力1σ達(dá)到鋼材的斷裂強(qiáng)度f0時(shí)，構(gòu)件就會(huì)發(fā)生斷裂破壞[7]。

圖2 AH32船用鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度擬合圖

在一定溫度條件下，當(dāng)構(gòu)件中某點(diǎn)的應(yīng)力尚未達(dá)到屈服狀態(tài)，但該點(diǎn)的主拉應(yīng)力σ1達(dá)到斷裂強(qiáng)度f0，即滿足式(2)或式(3)且同時(shí)滿足式(4)時(shí)（設(shè)此點(diǎn)的三向主應(yīng)力為σ1，σ2，σ3，σ1≥σ2≥σ3），構(gòu)件就會(huì)發(fā)生脆性斷裂破壞。

應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鋼材及其構(gòu)件的塑性和韌性有較大的影響，而構(gòu)件尺寸是影響應(yīng)力狀態(tài)的因素之一。因?yàn)殡S著厚度的增大，應(yīng)力集中區(qū)會(huì)由平面應(yīng)力狀態(tài)過渡為平面應(yīng)變狀態(tài)。該應(yīng)力狀態(tài)約束尖端的塑性流動(dòng)，塑性變形大大降低，使得沖擊試樣達(dá)到某溫度點(diǎn)后其沖擊功因試樣尺寸的增大而減小，導(dǎo)致沖擊試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度因試樣厚度增加而提高。

2.4 各尺寸沖擊試樣間的關(guān)聯(lián)

在韌脆轉(zhuǎn)變溫度的上平臺(tái)區(qū)，試樣越厚，其消耗的沖擊能量越多。隨著溫度的降低，尺寸越大的試樣消耗的沖擊能量越少，并在某個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)消耗的沖擊能量小于尺寸較小的試樣消耗的沖擊能量。由于各沖擊試樣的尺寸不同，其在沖擊過程中受到的應(yīng)力狀態(tài)不同，無法進(jìn)行直接對(duì)比。由沖擊功-沖擊溫度擬合曲線的斜率可知，不同尺寸沖擊試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的變化趨勢(shì)是不同的，厚度越大，脆性趨勢(shì)越強(qiáng)。

3 大厚度沖擊試驗(yàn)的斷口分析

通過掃描電鏡對(duì)沖擊試樣斷口起裂端進(jìn)行掃描，得到的試樣斷口圖見圖3～圖6，與上文的沖擊試樣一一對(duì)應(yīng)。

圖4 AH32 鋼板-40℃溫度下5種不同尺寸試樣起裂處的斷口

圖5 AH32 鋼板-50℃溫度下5種不同尺寸試樣起裂處的斷口

1) 在-20℃溫度下，5種不同尺寸試樣的起裂處斷口形貌基本一樣，都具有大量的小韌窩，屬于典型的韌性斷裂。

2) 隨著試樣厚度的增大，其斷口形貌開始出現(xiàn)差異，在大量小韌窩的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)很多脆性斷裂形態(tài)，尤其是在55mm×20.0mm×10mm的試樣斷面上，脆性斷裂形態(tài)布滿整個(gè)斷裂面。

圖6 AH32 鋼板-60℃溫度下2種不同尺寸試樣起裂處的斷口

3) 在-50℃溫度下，各尺寸試樣的起裂處斷口形貌又達(dá)到基本一致，韌窩消失并形成大量的沿晶斷裂組織。

4) 在-60℃溫度下，各尺寸試樣的起裂處斷口形貌出現(xiàn)由解離裂紋與機(jī)械孿晶共同作用形成的“舌狀花樣”及“魚骨狀花樣”形貌，這些都是典型的完全脆性斷面結(jié)構(gòu)，說明在該溫度下各尺寸試樣的斷口都呈現(xiàn)為完全脆性斷裂狀態(tài)。

通過對(duì)上述5種尺寸樣品在不同溫度下的沖擊斷裂起裂處斷口進(jìn)行分析可知：在相同溫度條件下，大尺寸的試樣比小尺寸的試樣容易產(chǎn)生脆性斷裂；在此次測(cè)試的范圍內(nèi)，隨著試樣厚度的增大，試樣形成解理脆性斷口的溫度逐漸升高。該結(jié)論與根據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的能量數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍得出的結(jié)論是一致的，即隨著試樣尺寸增大，其韌脆轉(zhuǎn)變的溫度逐漸升高。

4 結(jié) 語

通過對(duì)AH32船用鋼板5種尺寸試樣進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試，并結(jié)合斷口的形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)使用不同尺寸試樣得到的材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度是不同的，試樣厚度越大，測(cè)試得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高。通俗地講，即在相同的溫度條件下，厚度大的材料比厚度小的材料更早出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。因此，在實(shí)際應(yīng)用中直接使用標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)得的數(shù)據(jù)來評(píng)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度是偏于危險(xiǎn)的。后續(xù)可研究材料的厚度與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的量化關(guān)系，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更安全地應(yīng)用于工程中。

[1] 束德林. 金屬力學(xué)性能[M]. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2] 范天佑. 斷裂理論基礎(chǔ)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002.

[3] 黎智輝. 夏比擺錘沖擊試樣尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[J]. 理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2013, 49 (10): 664-667.

[4] 邱曉剛，楊勇. 沖擊試樣尺寸與韌-脆轉(zhuǎn)變過程的試驗(yàn)研究[J]. 理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2004, 40 (12): 599-562.

[5] 王烽，廉曉潔. 沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線數(shù)學(xué)模型的選擇[J]. 理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2009, 45 (10): 617-620.

[6] 趙建平，張秀敏，沈士明. 材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度數(shù)據(jù)處理方法探討[J]. 石油化工設(shè)備，2004, 33 (4): 29-32.

[7] 王元清，武延民，王曉哲，等. 含缺口受拉平板Z向應(yīng)力的有限元分析[J]. 低溫建筑技術(shù)，2004 (6): 28-31.

Test and Analysis of Ductile-Brittle Transition Temperature for AH32 Marine Steel Plate

CHEN Jing-hua，ZHAO Hua，WU Ze-nan，ZHANG Chun-e

(Zhoushan Institute of Calibration and Testing for Quality and Technology Supervision, Zhoushan 316021, China)

This paper studies the relationship between the temperature and impact energy and the section fiber ratio of AH32 marine steel plates in different sizes, and uses the Boltzmann function fitting method to analyze the ductile-brittle transition temperature of AH32 marine steel plate in different thicknesses. The result shows that the obtained fitting curves of ductile-brittle transition temperature are different from each other. Thicker sample plates have higher transition temperature. Meanwhile, the initiation fractures of different sample sizes are analyzed with the scanning electron microscope. It also shows that thicker samples have higher temperature to cause brittle fracture. This indicates that the actual ductile-brittle transition temperature of the hull is higher than that of the standard test, so it is not safe to apply the data from standard test to hull design and to practice.

marine steel plate; ductile-brittle transition temperature; Boltzmann function; fracture analysis

U663.2；U668.2

A

2095-4069 (2017) 05-0072-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.014

2016-10-10

陳靜華，男，工程師，1984年生。2007年畢業(yè)于河北工程大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶基礎(chǔ)材料及舾裝件的力學(xué)性能測(cè)試工作。