AH32船用鋼板韌脆轉變溫度測試與分析

陳靜華，趙 華，吳澤南，張春娥

（舟山市質量技術監督檢測研究院，浙江 舟山 316021）

工藝與材料

AH32船用鋼板韌脆轉變溫度測試與分析

陳靜華，趙 華，吳澤南，張春娥

（舟山市質量技術監督檢測研究院，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系，并利用Boltzmann函數擬合法對不同厚度的AH32船用鋼板的韌脆轉變溫度進行分析。結果表明：擬合得到的韌脆轉變溫度曲線各不相同，試樣越厚，測得的韌脆轉變溫度越高。同時，通過掃描電鏡對各尺寸試樣的斷面進行起裂處的斷口分析，結果也表明，試樣越厚，其出現脆性斷面的溫度越高。這說明船體實際呈現脆性趨勢的溫度要高于標準試驗得到的溫度，按標準試驗的數據指導船體設計及實際應用是偏于危險的。

船用鋼板；韌脆轉變溫度；Boltzmann函數；斷口分析

0 引 言

當試驗溫度低于某一溫度時，材料由韌性狀態變為脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理，斷口由纖維狀態變為結晶狀態，這就是低溫脆性，該溫度稱為韌脆轉變溫度[1]。若船舶在低溫環境中航行，則當環境溫度低至船用材料的韌脆轉變溫度點時，船舶就會有發生脆性斷裂的危險，從而引發海難事故。因此，準確測量材料實際的韌脆轉變溫度十分重要。

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構、晶粒大小、結構成分、應力狀態、溫度和樣品的結構尺寸等[2]。材料實際的應用狀態和實驗室的測試狀態主要改變應力狀態、溫度及樣品的結構尺寸等3個參數。根據文獻[3]中的結論，沖擊試樣的尺寸對沖擊功有巨大影響，本文通過改變樣品結構的尺寸來研究AH32船用鋼板的韌脆轉變溫度。

1 材料和試驗

試驗材料為船用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。降低由于材質不均勻造成的試驗結果偏差，采用退火工藝（見圖1）對樣品進行熱處理。退火處理后在ZBC2302-3微機控制低溫全自動沖擊試驗機上進行系列溫度的沖擊試驗，試驗溫度分別為-20℃，-30℃，-40℃，-50℃，-60℃，-70℃，-80℃，-90℃，-100℃和-110℃。試驗參考GB/T 229—2007中給出標準及文獻[4]中給出的方法進行。

沖擊試驗完成之后，利用ZEISS公司生產的SUPRA55型掃描電子顯微鏡觀察沖擊后試樣的斷口，對不同溫度下斷口起裂處的微觀形貌進行分析。

2 結果與討論

對選用的材料進行化學成分分析、力學性能測試、韌脆轉變溫度測試和掃描電鏡斷口分析。

2.1 化學成分分析

取樣船用鋼板（AH32船用鋼板）的化學成分見表1，符合GB 712—2011《船舶及海洋工程用結構鋼》中對AH32的相關要求。

表1 AH32船用鋼板化學成分 m%

2.2 力學性能測試

AH32船用鋼板力學性能見表2，符合GB 712—2011相關要求。沖擊試驗進行分層取樣，試驗結果表明上下層測試數據一致，符合測試要求。

表2 AH32船用鋼板力學性能

2.3 韌脆轉變溫度測試

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種規格型號的試樣各10組，分別在-20℃，-30℃，-40℃，-50℃，-60℃，-70℃，-80℃，-90℃，-100℃和-110℃溫度下進行測試，測試數據見表3。利用Boltzmann函數對測試數據進行擬合，對沖擊功-溫度曲線進行擬合可取得良好的效果[5]。

Boltzmann函數模型為

式(1)中：w為沖擊功，J；a1為下平臺值，J；a2為上平臺值，J；t為溫度值，℃；t0為對應的韌脆轉變溫度，℃；Δt為與韌脆轉變溫度區寬度相關的參數。利用Origin軟件中的非線性回歸功能，通過Boltzmann函數模型對試驗數據進行擬合。圖2為各尺寸試樣在各溫度點下的沖擊功-沖擊溫度擬合圖（韌脆轉變溫度擬合圖）。

表3 AH32船用鋼板沖擊試驗數據

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變溫度是不同的。隨著試樣厚度的增大，韌脆轉變溫度逐漸向高溫方向移動。此外，5種尺寸試樣的脆性趨勢也是不同的，厚度越大，其脆性趨勢越強。

材料的失效形式主要有脆性斷裂和屈服2種，都各自對應不同的強度理論。經典力學理論認為，當鋼結構件中某點的最大主拉應力1σ達到鋼材的斷裂強度f0時，構件就會發生斷裂破壞[7]。

圖2 AH32船用鋼板韌脆轉變溫度擬合圖

在一定溫度條件下，當構件中某點的應力尚未達到屈服狀態，但該點的主拉應力σ1達到斷裂強度f0，即滿足式(2)或式(3)且同時滿足式(4)時（設此點的三向主應力為σ1，σ2，σ3，σ1≥σ2≥σ3），構件就會發生脆性斷裂破壞。

應力狀態對鋼材及其構件的塑性和韌性有較大的影響，而構件尺寸是影響應力狀態的因素之一。因為隨著厚度的增大，應力集中區會由平面應力狀態過渡為平面應變狀態。該應力狀態約束尖端的塑性流動，塑性變形大大降低，使得沖擊試樣達到某溫度點后其沖擊功因試樣尺寸的增大而減小，導致沖擊試樣的韌脆轉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聯

在韌脆轉變溫度的上平臺區，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，并在某個溫度點時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力狀態不同，無法進行直接對比。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變溫度的變化趨勢是不同的，厚度越大，脆性趨勢越強。

3 大厚度沖擊試驗的斷口分析

通過掃描電鏡對沖擊試樣斷口起裂端進行掃描，得到的試樣斷口圖見圖3～圖6，與上文的沖擊試樣一一對應。

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差異，在大量小韌窩的基礎上，出現很多脆性斷裂形態，尤其是在55mm×20.0mm×10mm的試樣斷面上，脆性斷裂形態布滿整個斷裂面。

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由解離裂紋與機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構，說明在該溫度下各尺寸試樣的斷口都呈現為完全脆性斷裂狀態。

通過對上述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生脆性斷裂；在此次測試的范圍內，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。該結論與根據韌脆轉變溫度的能量數據變化趨勢和韌脆轉變的溫度范圍得出的結論是一致的，即隨著試樣尺寸增大，其韌脆轉變的溫度逐漸升高。

4 結 語

通過對AH32船用鋼板5種尺寸試樣進行韌脆轉變溫度測試，并結合斷口的形貌進行分析，發現使用不同尺寸試樣得到的材料韌脆轉變溫度是不同的，試樣厚度越大，測試得到的韌脆轉變溫度越高。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脆性斷裂現象。因此，在實際應用中直接使用標準試樣測得的數據來評定材料的韌脆轉變溫度是偏于危險的。后續可研究材料的厚度與韌脆轉變溫度的量化關系，使試驗數據更安全地應用于工程中。

[1] 束德林. 金屬力學性能[M]. 2版. 北京：機械工業出版社，1999.

[2] 范天佑. 斷裂理論基礎[M]. 北京：科學出版社，2002.

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

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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年畢業于河北工程大學無機非金屬材料工程專業，現從事船舶基礎材料及舾裝件的力學性能測試工作。