不同碳含量對HSLA鋼的缺口敏感性的影響

張冰洋，劉智良

（中煤張家口煤礦機械責(zé)任有限公司，河北 張家口 076025）

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料由ARL-4460直讀光譜儀測得的化學(xué)成分如表1，試樣全部取自兩塊20 mm厚的鋼板，按照GB 712—2011于橫向1/4位置取樣。平板拉伸試樣采用150 mm×35 mm×4 mm，缺口拉伸試樣采用450的“V”形缺口，缺口深度2 mm的雙邊缺口試樣。金相試樣觀察與拉伸試樣平行的面。拉伸試樣取樣位置及具體尺寸如圖1。

表1 試驗鋼種主要化學(xué)成分 %

熱處理試驗在KSYD-6.3-16型箱式電阻爐型電阻爐中進行，淬火溫度工藝參數(shù)參考熱處理手冊[13]相同鋼號，淬火工藝：1號鋼880℃×10 min；2號鋼9000℃×10 min，水冷且淬火后水溫?zé)o明顯變化。回火工藝：500℃×90 min，出爐空冷，熱處理工藝曲線如圖2。

根據(jù)GB/T 228.1—2010在WDW-200型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min。蔡司光學(xué)顯微鏡和JCM-6000掃描電鏡進行組織和斷口綜合分析。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 拉伸試驗結(jié)果及分析

拉伸的力學(xué)性能如表2，拉伸曲線如圖3。試驗鋼的缺口敏感性用RNS（notch sensitivity ratio）表示。

表2 拉伸試驗的試驗結(jié)果

式中：Rmn為缺口試樣的抗拉強度；Rm為光滑試樣的抗拉強度。

脆性材料在缺口處尚未發(fā)生塑性變形就已發(fā)生脆性斷裂,則RNS小于1；塑性材料于缺口處可能發(fā)生塑性變形，RNS小于1。RNS比值在1附近時，材料對缺口不敏感。RNS比值越大，缺口敏感性越小。計算結(jié)果為：1號鋼的RNS≈1.33大于2號鋼的RNS≈1.24。則低碳微合金鋼隨著含碳量的增加及抗拉強度升高，缺口敏感性增加。錢友榮等的研究指出應(yīng)力集中系數(shù)Kt=2.203～3.655范圍，RNS=1.056～1.139范圍。則本實驗含碳量變化為引起的RNS值變化大于錢友榮等研究的應(yīng)力集中系數(shù)變化引起的RNS值變化。含碳變化對RNS變化影響明顯。

由圖3可知帶缺口試樣的塑性變形很少，應(yīng)力在在試樣截面分布改變，在缺口處產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力增大，抗拉強度增大。由缺口尺寸確定應(yīng)力集中系[16]數(shù)：

圖3 應(yīng)變分布曲線

式中：a為缺口深度，b為缺口底角圓弧半徑。

由式（2）得：Kt≈2.27。

由應(yīng)力集中系數(shù)Kt表示的應(yīng)力集中程度得：

式中：Rmax為缺口頂端的最大應(yīng)力；R為平均應(yīng)力。

由拉伸時的最大力計算平均應(yīng)力：

結(jié)合式（3）和式（4）得1（缺口）和2（缺口）鋼在缺口處的最大應(yīng)力Rmax分別為2083.38 MPa和1885.3 MPa。塑性材料在缺口處的應(yīng)力根據(jù)屈雷斯加判據(jù)SⅡ=Ry-Rx=Rp,Rx=0。缺口根部屈服時Ry達到Rp；在缺口內(nèi)側(cè)，Rx≠0，要滿足SⅡ判據(jù)，必須增加拉伸方向應(yīng)力Ry。在距缺口一定距離x處，X（寬度方向）、Y（拉伸方向）、Z（厚度方向），應(yīng)力Rx、Rz、Ry達到最大，即在x處真應(yīng)力最大。同時在距缺口一定距離x處，形成了三向應(yīng)力，產(chǎn)生了“缺口強化”現(xiàn)象。

2.2 微觀組織分析

圖4中4-1、4-3為1號鋼，4-2、4-4為2號鋼。1與2號鋼的組織均主要為回火托氏體，少量回火索氏體。大部分a相仍保持針狀及條片狀形態(tài)（BF）；

圖4-1、4-2中的區(qū)域1與2，A相條片狀消失，形成鐵素體晶粒多邊形化，碳化物由細(xì)條狀或短棒狀變?yōu)轭w粒狀。由圖4-1、4-2可知，1號與2號鋼的M/A島呈細(xì)條狀或點狀彌散分布，二者M/A島的形狀及大小無明顯區(qū)別。由圖4-3、4-4觀察，圖4-3的M/A島的數(shù)量比圖4-2的體積分?jǐn)?shù)多，在M/A島的形狀及大小無明顯變化的情況下，低碳微合金鋼的抗拉強度隨M/A島數(shù)量的增加而提高。所以1號鋼的抗拉強度高于2號鋼。

圖4 1與2號鋼的光學(xué)和掃描顯微組織

2.3 斷口分析

圖5為光滑試樣與帶缺口試樣沿厚度方向的斷口宏觀示意圖。

圖5 光滑試樣與帶缺口試樣沿厚度方向的斷口宏觀示意圖

光滑試樣的斷口為典型的韌性斷口：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切區(qū)。缺口試樣與拉伸方向呈45°夾角。

拉伸時，由缺口處向里應(yīng)力集中逐漸增大，當(dāng)臨界正應(yīng)力達到細(xì)觀解理應(yīng)力，由裂紋萌生時的帶有韌窩的斷口變?yōu)榻饫頂嗫凇?/p>

下頁圖6的6-1,6-2分別為1號鋼的光滑試樣和缺口試樣的宏觀放大斷口，6-3,6-4分別為2號鋼的光滑試樣和缺口試樣的宏觀放大斷口。

由圖6觀察可知，6-1,6-3光滑試樣都發(fā)生了明顯的縮頸現(xiàn)象，6-1,6-3光滑試樣的宏觀斷口為典型的韌性斷口，可以觀察到明顯放射線花樣的放射區(qū)、光滑的剪切區(qū)。6-2,6-4帶缺口試樣宏觀斷口為光滑平坦解理斷口,6-2具有“人字形”花樣，且人字形尖端逆指向缺口處；6-4具有“放射狀”花樣，放射花樣的收斂處指向缺口。在加載速度、試樣形狀等條件相當(dāng)時，“人字紋”越明顯，材料的脆性越大。則說明在1號鋼含碳量高于2號鋼的情況下，1號帶缺口鋼的脆性大于2號帶缺口鋼。王國珍等研究指出缺口試樣的解理斷裂主要由正應(yīng)力大于屈服應(yīng)力所控制，由缺口處的應(yīng)力滿足屈雷斯加判據(jù)SⅡ=Ry-Rx=Rp，知沿拉伸方向正應(yīng)力Ry大于屈服應(yīng)力Rp。雖然1與2號鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，雖然具有較高的塑韌性，但在拉伸帶有雙邊缺口試樣的過程中，仍變?yōu)樗茼g性較差的解理斷口。

圖6 1號與2號鋼的宏觀放大形貌

圖7中7-1與7-3為1號與2號的光滑試樣，微觀為較大的等軸韌窩或拉長撕裂韌窩；在剪切區(qū)光滑平坦，仍具有拉長的韌窩。由于1號強度高于2號，所以在1號剪切區(qū)比2號光滑。7-2與7-4為1號與2號的缺口試樣，宏觀放射區(qū)微觀為準(zhǔn)解理斷口與舌狀花樣；靠近缺口處為纖維狀斷口具有等軸韌窩。舌狀花樣為解理斷口。準(zhǔn)解理斷口是韌窩斷裂與解理斷裂的一種過渡方式，具有少量塑變。在拉伸缺口試樣過程中，沿45°方向剪切力最大，在缺口處形成三向應(yīng)力，同時強度升高，塑性下降。在缺口處纖維裂紋尖端近似于尖銳缺口，應(yīng)力集中達到解理臨界事件，發(fā)生由韌性斷裂向脆性解理的轉(zhuǎn)變-準(zhǔn)解理斷口。隨著裂紋擴展速率增大，塑性下降迅速，出現(xiàn)舌狀花樣。

圖7 1號與2號鋼的微觀形貌

3 結(jié)論

1）低碳微合金鋼隨著含碳量的升高，缺口敏感性變化明顯。由于缺口樣在缺口處產(chǎn)生高度的三向應(yīng)力集中，產(chǎn)生缺口“缺口強化”。導(dǎo)致缺口試樣抗拉強度大于光滑試樣，塑性降低。

2）經(jīng)熱處理工藝后，1與2號鋼均為回火托氏體組織。含碳量高的1號鋼的M/A島數(shù)量多于1號鋼，由M/A島的數(shù)量決定1號鋼的強度大于2號鋼。

3）1號與2號鋼的光滑試樣為典型的韌性斷口。微觀為等軸韌窩及撕裂韌窩。缺口試樣均變?yōu)榻饫頂嗫冢?（缺口）宏觀為“人字形”花樣，2（缺口）宏觀為“放射狀”花樣；微觀為準(zhǔn)解理斷口與舌狀花樣。