許鶴君,梅 壇

(上海材料研究所有限公司檢測中心,上海 200437)

金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)一直是材料性能測試研究的重點(diǎn),其可以相對準(zhǔn)確地反映出材料在不同溫度下的斷裂形式,從而可對一些工件在低溫工作環(huán)境下的服役能力和事故風(fēng)險作出預(yù)判。目前,評價金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法為依靠一次性破斷試驗(yàn)所得到的吸收能量、剪切斷面率、側(cè)膨脹值等數(shù)據(jù),獲取隨試驗(yàn)溫度變化的曲線,再找出韌脆過渡區(qū)域特征點(diǎn)。對于非典型斷口(如分層、不規(guī)則脆性區(qū)域)材料的剪切斷面率只能用估算的方法得出,特別是對于斷口呈混合形貌的材料,就無法用剪切斷面率的方法測得其具體轉(zhuǎn)變溫度,典型的代表材料有SAE 4340、SAE 4140等。隨著航空、汽車、船舶領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展,材料牌號的多樣性及不同制備工藝的差異性使傳統(tǒng)、單一的測試方法無法滿足各類材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的測定,尤其是斷口呈混合形態(tài)的金屬材料。而儀器化沖擊試驗(yàn)沒有局限性,可利用高速應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)生成的一系列曲線來區(qū)分材料的韌性、脆性破壞,定量分解裂紋形成能及裂紋擴(kuò)展能,為材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的評價提供了一種新的方法。通過力-位移特征曲線中的面積積分可獲取能量特征值,由公式可計算得到相應(yīng)的剪切斷面率,從而較好地解決非典型斷口材料無法通過剪切斷面率獲取其韌脆轉(zhuǎn)變特性的問題,避免目視觀察導(dǎo)致的人為引入誤差,可進(jìn)一步促進(jìn)沖擊試樣斷口韌脆特征評價過程的統(tǒng)一性和規(guī)范化[1-3]。

1 試驗(yàn)材料

按照GB/T 19748—2019《金屬材料夏比V型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法》對典型斷口材料34Cr NiMo6合金鋼進(jìn)行了儀器化沖擊試驗(yàn),總結(jié)出典型斷口材料韌脆轉(zhuǎn)變特性評價的儀器化沖擊試驗(yàn)方法,進(jìn)而將其運(yùn)用至混合型斷口材料SAE 4140的韌脆轉(zhuǎn)變溫度評價中,通過選用標(biāo)準(zhǔn)附錄不同公式計算得到相應(yīng)的剪切斷面率,利用Boltzmann函數(shù)擬合曲線,找出相應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn),以此驗(yàn)證該方法的可行性。

測試對象中的典型斷口材料選用34Cr NiMo6合金鋼,將其加工成規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm(長×寬×高)的試樣,共24件。非典型斷口材料選用SAE 4140合金鋼,其化學(xué)成分如表1所示。SAE 4140的熱處理工藝為:860℃正火,淬火介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%,590℃回火,布氏硬度為290～325 HBW,將其加工成規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm(長×寬×高)的夏比V 型缺口沖擊試樣,共20件。

表1 SAE4140合金鋼化學(xué)成分 %

SAE 4140材料在低溫沖擊后斷口形貌的韌脆界限不清晰,呈明顯的混合形態(tài),與典型的斷口形貌有較大差異(見圖1)。其中:圖1a)為室溫下的斷口形貌,呈純剪切斷口形貌;圖1b)為34Cr NiMo6鋼室溫沖擊后的斷口形貌,由上至下試驗(yàn)溫度分別為-60,-90,-110℃,可看出脆性斷裂區(qū)所占比例隨試驗(yàn)溫度的降低而明顯增大;圖1c)為-196℃條件下的純解理斷口形貌;圖1d)為SAE 4140鋼試樣在-40℃沖擊后的斷口形貌,呈灰暗色,且無明顯韌脆區(qū)域分界線[4-6]。

圖1 各類混合型斷口宏觀形貌

圖2為上述對應(yīng)各斷口的微觀形貌。圖2a)為典型的純剪切斷口,形貌較為粗糙,一般塑性較好材料的微觀形貌上可見韌窩狀孔洞;圖2b)為典型的純解理斷裂形貌,各河流狀紋理對應(yīng)著各自不同高度的解理面臺階;圖2c)為塑性區(qū)域和脆性區(qū)域分界處的低倍形貌,二者間由一條明顯臺階隔開,表現(xiàn)為韌窩→韌窩+準(zhǔn)解理面→純解理的斷面過渡方式,穿晶斷裂所占的比例向解理區(qū)一側(cè)逐漸增多,而韌窩數(shù)量逐漸減少;圖2d)為SAE 4140合金鋼在-40℃下的微觀形貌,韌窩及少量“河流狀紋理”摻雜在一起,沒有明確的韌脆分界界面,宏觀表現(xiàn)為無法使用目測的方式去評價沖擊試樣的剪切斷面率,后期很難對其進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度評價。

圖2 各類斷口微觀形貌

2 典型斷口材料34CrNiMo6鋼的試驗(yàn)結(jié)果

首先利用儀器化沖擊試驗(yàn)方法對34Cr NiMo6合金鋼進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度評價,因其斷口具有典型韌脆分明的特征,因此只需依照常規(guī)試驗(yàn)步驟進(jìn)行評價。采用目視評價試樣斷口剪切斷面率,確定下一個沖擊試樣的試驗(yàn)溫度,選用Boltzmann函數(shù)對曲線進(jìn)行擬合,得到韌脆區(qū)域各占50%時對應(yīng)的溫度點(diǎn),獲取每組試樣的力-位移曲線,得到各個力特征值:屈服力Fgy、最大力Fm、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力Fa,利用GB/T 19748—2019資料性附錄D中的公式計算各個試樣的剪切斷面率,如式(1)～(4)所示。

式中:C1,C2,C3,C4為剪切斷面率,K為與材料有關(guān)的系數(shù)。

通過對比評價結(jié)果及沖擊吸收能量-溫度曲線、側(cè)膨脹值-溫度曲線來論證各剪切斷面率計算公式對合金結(jié)構(gòu)鋼的適用性。34Cr NiMo6鋼的儀器化沖擊試驗(yàn)分為兩組,每組8個試樣,結(jié)果如表2,3,4 所示,韌脆轉(zhuǎn)變溫度如表5,6 所示(其中DBTT50(II)為基于儀器化沖擊得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,DBTT50為目視法測量得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,ETT50為沖擊吸收能量占50%時對應(yīng)的溫度,LETT50為側(cè)向膨脹值占50%時對應(yīng)的溫度),4種韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線如圖3,4所示。

圖3 34Cr NiMo6合金鋼3種韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(第二組試樣)

圖4 34CrNiMo6合金鋼的3種韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(第三組)

表2 第一組34CrNiMo6合金鋼試樣儀器化沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表3 第二組34CrNiMo6合金鋼試樣儀器化沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表4 第三組34CrNiMo6合金鋼試樣儀器化沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 第二組34Cr NiMo6合金鋼試樣韌脆轉(zhuǎn)變溫度測量結(jié)果℃

表6 第三組34CrNiMo6合金鋼試樣韌脆轉(zhuǎn)變溫度測量結(jié)果℃

從以上兩組34Cr NiMo6鋼的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,DBTT50和DBTT50(II)基本一致,前者分別為-68,-66℃,后者分別為-70,-68℃,表明利用儀器化沖擊及經(jīng)驗(yàn)公式計算剪切斷面率的方式可以替代傳統(tǒng)的目視評價方法,且每一組ETT50及LETT50與DATT50(II)相差都在10℃以內(nèi),從另一個方面也說明了試樣的剪切斷面率和側(cè)膨脹值、沖擊吸收能量之間的內(nèi)在關(guān)系。

觀察各組的力特征值Fm可以發(fā)現(xiàn),隨著溫度的降低,Fm呈上升趨勢,從標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19748—2019附錄中計算剪切斷面率的4個公式可以看出,最大力Fm均出現(xiàn)在分母中,說明材料的韌性與其抗斷裂能力有關(guān),Fm升高,材料韌性降低,這是因?yàn)樵谙鄬^低的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),如-60,-80℃,材料最大抗斷裂能力由塑性主導(dǎo),低溫試驗(yàn)條件下試樣V 型缺口的根部變形困難,對外表現(xiàn)為Fm增大。隨著試驗(yàn)溫度的進(jìn)一步降低,-110,-196℃時材料的最大抗斷裂能力由脆性主導(dǎo),試樣V 型缺口根部在應(yīng)力集中的情況下很快達(dá)到裂紋擴(kuò)展的臨界水平,導(dǎo)致Fm下降,但由于此時Fiu與Fm非常接近,Fa基本接近力-位移曲線的底部,因此利用公式計算得到的剪切斷面率趨向于韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線的下平臺區(qū)域。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出,利用儀器化沖擊試驗(yàn)方法得到34Cr NiMo6合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與目視方法得到的結(jié)果基本一致,且與利用沖擊吸收能量-溫度、側(cè)膨脹值-溫度曲線得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度差別不大,儀器化沖擊試驗(yàn)方法可以用于該類鋼種的韌脆轉(zhuǎn)變溫度評價。

3 混合型斷口材料SAE 4140的試驗(yàn)結(jié)果

SAE 4140混合型斷口材料試樣共分為兩組,每組10個,采用與上述相同的試驗(yàn)方法,具體試驗(yàn)結(jié)果如表7,8所示,韌脆轉(zhuǎn)變溫度如表9,10所示,3種韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線如圖5,6所示。

圖5 SAE 4140鋼的3種韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(第一組)

圖6 SAE 4140鋼的3種韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(第二組)

表7 第一組SAE 4140合金鋼試樣儀器化沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表8 第一組SAE 4140合金鋼試樣韌脆轉(zhuǎn)變溫度測量結(jié)果℃

表9 第二組SAE 4140合金鋼試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度測量結(jié)果℃

表10 第二組SAE 4140合金鋼試樣的儀器化沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從表8,9可以看出,與之前34Cr NiMo6鋼的結(jié)果一樣,每一組SAE 4140材料的ETT50及LETT50與DBTT50(II)基本保持一致,前者ETT50分別為-81,-79℃,LETT50分別為-76,-72℃,后者均為-82℃,最大溫度偏差為6℃。基于沖擊吸收能量-溫度、側(cè)膨脹值-溫度得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線的擬合結(jié)果比之前34Cr NiMo6鋼的結(jié)果更好,說明該材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度也可以通過能量轉(zhuǎn)變溫度曲線及側(cè)膨脹值轉(zhuǎn)變溫度曲線的方式來獲取,但不能保證每一種混合型斷口材料的沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值、剪切斷面率具有良好的相關(guān)性。

4 結(jié)論

(1)利用儀器化沖擊試驗(yàn)方法得到34Cr NiMo6合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與目視評價方法的結(jié)果相近,且和利用沖擊吸收能量-溫度、側(cè)膨脹值-溫度得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度基本一致,儀器化沖擊試驗(yàn)方法可以用于該類鋼種的韌脆轉(zhuǎn)變溫度評價中。

(2)儀器化沖擊試驗(yàn)方法可以用于評價混合型斷口材料SAE 4140鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明利用沖擊吸收能量-溫度、側(cè)膨脹值-溫度得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與前者基本一致,但儀器化沖擊試驗(yàn)方法的可靠性更高。