試樣厚度對夏比沖擊試驗結果的影響

丁 陽

(上海電氣核電設備有限公司, 上海 201306)

沖擊試驗因其試樣加工簡便,試驗時間短，試驗數據對材料組織結構、冶金缺陷等敏感而成為評價金屬材料沖擊韌性應用最廣泛的一種傳統力學性能試驗，也是評定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要手段之一[1],其中夏比沖擊試驗是目前工業標準化程度最高的材料低溫韌性評價方法[2]。在實際的試樣加工中，由于某些薄板的厚度不夠，無法制取10 mm×10 mm標準尺寸的夏比沖擊試樣[3]，不得不考慮采用10 mm×7.5 mm，10 mm×5 mm等小尺寸試樣來進行沖擊試驗[4]。小尺寸試樣的沖擊試驗結果對保證材料質量具有重要意義,目前相關研究主要集中在材料的沖擊上平臺吸收能量,即全塑性斷口,而對于其他溫度的研究較少,為分析材料在不同溫度下試樣厚度對于沖擊試驗結果的影響規律,筆者采用小尺寸試樣進行了一系列的試驗和研究。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與試驗設備

沖擊試驗使用某鍛件廠提供的材料各項性能均勻的SA508-3鋼，將其加工成10 mm×10 mm×55 mm，10 mm×7.5 mm×55 mm，10 mm×6.7 mm×55 mm，10 mm×5 mm×55 mm等4種厚度的沖擊試樣；試驗采用RKP450 IWI型全自動高低溫示波沖擊試驗機，其最大沖擊吸收能量為450 J。

1.2 標準對小尺寸試樣沖擊吸收能量的要求

ASTM A673/A673M-2017StandardSpecificationforSamplingProcedureforImpactTestingofStructuralSteel對不同尺寸試樣的沖擊吸收能量的要求如表1所示。

根據表1可知，標準對沖擊吸收能量的要求與試樣的厚度呈正比，而對于試樣的側膨脹值及剪切斷面率，則沒有具體的要求[5]。

表1 標準對不同尺寸試樣等效沖擊吸收能量的要求Tab.1 Standard requirements for equivalent impact absorbedenergy of different size specimens J

1.3 試驗方法

首先用加工后的一批落錘試樣測試該材料的無延性轉變溫度(TNDT)[6]，當落錘試驗進行到-40 ℃時，落錘試樣斷裂，而-35 ℃時兩個試樣均未斷裂，由ASTM E208-2017StandardTestMethodforConductingDrop-WeightTesttoDetermineNil-DuctilityTransitionTemperatureofFerriticSteels可知該材料的TNDT為-40 ℃。選取-60～60 ℃作為沖擊試驗溫度，每間隔20 ℃為一個梯度設置沖擊試驗溫度，并在每個溫度梯度下分別對上述4種不同尺寸的兩個試樣進行沖擊試驗，測量并記錄試樣的沖擊吸收能量、側膨脹值及剪切斷面率等試驗數據。

2 試驗結果

2.1 試樣厚度對沖擊吸收能量的影響

不同厚度試樣的沖擊吸收能量-溫度曲線如圖1所示；不同厚度試樣的沖擊吸收能量比值與試樣厚度關系如圖2所示，其中尺寸比值折線所對應的是4種尺寸試樣厚度與標準尺寸試樣厚度的比值，即1，0.75，0.67，0.5，其余7條折線代表的是在不同溫度下4種尺寸試樣的沖擊吸收能量與標準尺寸試樣的沖擊吸收能量比值。

圖1 不同厚度試樣的沖擊吸收能量-溫度曲線Fig.1 Impact absorbed energy-temperature curves ofdifferent thickness specimens

圖2 不同厚度試樣的沖擊吸收能量比值與試樣厚度關系Fig.2 Relationship between the ratio of impact absorbed energy andthe specimen thickness for different thickness specimens

由圖1可知,4條曲線在-40 ℃左右出現了明顯的不同，具體表現為隨試樣厚度增加，曲線斜率明顯增大，這是因為此時的溫度處于該材料的韌脆轉變溫度。通常此轉變溫度被定義為吸收能量突然增加(或減少)時對應的溫度，此時斷裂模式由韌性斷裂轉為脆性斷裂[3]。同時， 4條曲線出現較大能量變化的溫度范圍基本相同，即改變沖擊試樣的厚度并不會影響到通過沖擊吸收能量-溫度曲線得出的該材料的韌脆轉變溫度。

由圖2可知,當試驗溫度高于該材料的韌脆轉變溫度，即處于上平臺溫度時，各條沖擊吸收能量比值折線與尺寸比值折線相互重合，即沖擊吸收能量與試樣厚度之間呈線性關系。是因為此時沖擊試樣為韌性斷裂，而韌性斷裂時沖擊吸收能量受其他因素影響較小，僅和試樣的橫截面積有關。

當試驗溫度降低到材料的韌脆轉變溫度(-40 ℃)時，沖擊吸收能量比值折線開始偏離尺寸比值折線，即沖擊吸收能量與試樣厚度之間沒有線性關系，此時沖擊試樣屬于脆性斷裂。由于幾乎不產生塑性變形，橫截面積對于沖擊吸收能量的影響可以忽略不計，甚至當沖擊試樣厚度增大時，試樣的力學約束程度增加，從而降低了沖擊吸收能量，這也解釋了為什么在-60～-40 ℃時，試樣的沖擊吸收能量幾乎沒有變化。

2.2 試樣厚度對側膨脹值的影響

不同厚度試樣的側膨脹值-溫度曲線如圖3所示，可知隨著試驗溫度的升高，側膨脹值也增大，但是在任一個溫度下，不同厚度試樣的側膨脹值相差很小，這也意味著側膨脹值對于某個具體的材料來說是一個穩定的常數，僅僅與試驗溫度有關，而與試樣的厚度沒有明顯的關系。通常定義的側膨脹值指的是沖擊試樣斷裂后斷口兩側最大膨脹量之和[7]。而產生側膨脹的原因是當材料在沖擊過程中受到平面應力時，會產生裂紋，裂紋擴展向外擠壓，對于不同厚度的試樣來說，無論是脆性或韌性斷裂，裂紋擴展能量總是相同的，所以側膨脹值也不變。

圖3 不同厚度試樣的側膨脹值-溫度曲線Fig.3 Side expansion value-temperature curves ofdifferent thickness specimens

2.3 試樣厚度對剪切斷面率的影響

不同厚度試樣的剪切斷面率-溫度曲線如圖4所示，可見4種厚度試樣的曲線斜率在-40 ℃時發生劇烈的變化，即試驗溫度低于韌脆轉變溫度時，剪切斷面率也會迅速降低。而4條曲線相互之間的差異同側膨脹值曲線的基本一致，也說明了剪切斷面率和試樣厚度之間沒有明顯的關系。

圖4 不同厚度試樣的剪切斷面率-溫度曲線Fig.4 Shear section rate-temperature curves ofdifferent thickness specimens

2.4 試樣厚度對特征值的影響

圖5為20 ℃時4種不同厚度試樣的力-位移曲線，在力-位移曲線中，沖擊吸收能量Wt就是曲線和橫坐標之間的面積[8]。觀察4條曲線可以發現,隨著試樣厚度的減小，曲線和橫坐標之間的面積也在逐漸減小，即沖擊吸收能量Wt減小；另一個特征值最大力Fm是沖擊試樣在沖擊試驗過程中受到的最大力，由曲線可以看出，試樣吸收的能量越大，則沖擊過程中所受到的最大力也越大。隨厚度的減小，不穩定裂紋擴展起始力Fiu，即曲線在最大力之后開始急劇下降的力,也越來越小，導致試樣產生的裂紋擴展能量也越小，從而導致沖擊吸收能量減小。

圖5 不同厚度試樣的力-位移曲線Fig.5 Force-displacement curves of different thickness specimens

2.5 試樣厚度對斷口形貌的影響

圖6是試驗溫度為20 ℃時不同厚度試樣沖擊斷口的宏觀形貌，可見對于不同厚度的試樣，斷口形貌基本相同，均為韌性斷裂，結合圖3的側膨脹值曲線發現，斷口與試樣的厚度并無直接聯系，與前文通過曲線得出的結論吻合。

圖6 20 ℃時不同厚度試樣的斷口宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of fracture of different thickness specimens at 20 ℃

3 結論

(1) 當試驗溫度高于韌脆轉變溫度時，沖擊吸收能量與試樣的橫截面積有關，因此與厚度呈線性關系。而低于韌脆轉變溫度時，沖擊吸收能量與試樣厚度之間沒有明顯關系。

(2) 試樣的側膨脹值、剪切斷面率、斷口形貌與厚度之間沒有直接聯系。

(3) 隨著試樣厚度的減小，不穩定裂紋擴展起始力越來越小，導致試樣產生的裂紋擴展能量也越小，從而導致沖擊吸收能量減小。厚度越大，試樣吸收的能量越多，沖擊過程中所受到的最大力也越大。