擺錘沖擊吸收能量和斷口測量結果的關系

鄒 鵬

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，沈陽 110869)

許多機械零件在服役時經常受到沖擊載荷的作用，為了評定金屬材料傳遞沖擊載荷的能力，揭示金屬材料在沖擊載荷作用下的力學行為，需要對材料進行相應的力學性能測試，即對缺口試樣進行沖擊試驗，以測定材料的沖擊韌性。沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形能量和斷裂能量的能力，測試設備為擺錘式沖擊試驗機，測試方法為：將試樣水平放在試驗機支座上，缺口位于沖擊反方向，然后將具有一定質量的擺錘舉至一定高度H1，使擺錘獲得一定的位能mgH1，隨后釋放擺錘沖擊試樣，擺錘的剩余能量為mgH2，則擺錘沖擊試樣失去的勢能為mgH1-mgH2，即為沖擊吸收能量，用Ak表示，單位為J。目前標準試樣為夏比U型缺口和夏比V型缺口試樣，標準試樣尺寸(長×寬×高)為10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度均為2 mm，不同缺口試樣測得的沖擊吸收能量分別記為KU2和KV2。目前國內標準仍然使用兩種缺口形式試樣，而美國ASTM和ASME標準中只使用夏比V型缺口試樣。一般標準的要求為KU2≥40 J或者KV2≥27 J，因為V型缺口試樣更為敏感，所以在相同材料及熱處理工藝下，試樣的KV2測試結果比KU2低。筆者將不同材料進行熱處理后，分別測定材料在兩種缺口形式下的沖擊吸收能量，并研究了材料KV2的測試結果與試樣沖擊斷口測量結果之間的關系，給韌性測試標準的制定提供了技術支持。

1 試驗材料及制備方法

采用了18種金屬材料，包括碳素結構鋼、低碳低合金鋼、中碳低合金鋼、馬氏體不銹鋼、馬氏體沉淀硬化不銹鋼，進行相應熱處理，加工成規格為100 mm×300 mm(直徑×長度)的圓形鍛件。各試樣的熱處理工藝分別為：20鋼是正火+回火；20CrMo鋼、45鋼、35CrMo鋼、35CrMoV鋼、40CrNiMoA鋼和42CrMoE鋼是正火+淬火+回火；X12Cr13鋼、12Cr13鋼和1Cr17Ni2鋼是淬火+回火；2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-V低碳合金鋼是亞溫淬火+回火；沉淀硬化不銹鋼FV520(B)是固溶化、調整和不同時效溫度處理，其中固溶化選用1 050 ℃空冷，調整選用850 ℃油冷，固溶化和調整、調整和時效處理需要一定的間隔時間[1]，試樣表面恢復到室溫(25 ℃)后，在480，500，550，580 ℃時效溫度下進行熱處理。

18個試樣全部進行熱處理后，用線切割方法縱向取樣。拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣在距離材料表面1/3半徑處取樣。拉伸試樣為5倍標距試樣，加工成標距為30 mm，平行部分直徑為6 mm的圓棒狀拉伸試樣。沖擊試驗需要加工5個試樣，其中2個為夏比U型缺口，另外3個為夏比V型缺口，深度均為2 mm，試驗設備為RAS250型萬能試驗機。依照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》的要求對試樣進行拉伸試驗，依照GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求對試樣進行沖擊試驗。

2 不同缺口形式試樣的KU2和KV2測試結果的關系

不同材料熱處理后的力學性能測試結果如表1所示，將表1數據進行整理，繪制成KU2與KV2的關系曲線(見圖1)。由表1和圖1可知：碳素結構鋼和低合金鋼的抗拉強度和屈服強度較低，沖擊韌性較高，且當試樣的沖擊吸收能量約為200 J時，KV2略低于KU2，KV2與KU2的比值接近于1；馬氏體不銹鋼材料的沖擊韌性較差；2.25Cr-1Mo鋼作為低碳合金鋼，在高強度區域仍然擁有一定的沖擊韌性；同種材料經相同熱處理工藝后，其V型缺口試樣的27 J沖擊吸收能量大致對應U型缺口試樣的60 J沖擊吸收能量。KU2≥40 J和KV2≥27 J為目前普遍使用的兩種沖擊韌性驗收條件，當KU2為50 J的試樣再加工成V型缺口試樣后，試樣的KV2僅為20 J，此時試樣能滿足KU2≥40 J的驗收要求，但不能滿足KV2≥27 J的驗收要求，所以KV2≥27 J的驗收要求比KU2≥40 J嚴格。

表1 不同材料熱處理后的力學性能測試結果

圖1 不同材料KU2與KV2的關系

3 KV2與斷口測量結果的關系

3.1 韌-脆轉變溫度(FATT50)

沖擊試樣斷口存在纖維區、放射區與剪切唇3個部分，有時在斷口上還可以看到2個纖維區，且放射區位于2個纖維區之間。出現2個纖維區是因為：試樣受沖擊時，缺口一側受拉伸作用，裂紋首先在缺口處形成，并沿厚度兩側及深度方向擴展，因為缺口處是平面應力狀態，若試樣具有一定的塑性，則在裂紋擴展過程中會形成纖維區；當裂紋擴展到一定深度時，出現平面應變狀態，裂紋快速擴展并形成結晶區，到了壓縮區之后，因為應力狀態發生變化，所以裂紋擴展速率再次減小，出現了纖維區[2]。沖擊試驗結果表明,隨著試驗溫度下降，沖擊吸收能量下降，纖維區面積減小，結晶區面積增大。當結晶區占整個斷口面積50%(剪切斷面率為50%)時的溫度即為FATT50。

將沉淀硬化不銹鋼ASTM A705 type630經480，550，580，620 ℃時效溫度處理后，進行KV2和剪切斷面率測試，結果如表2所示，其中620M為增加調整處理的試樣。從表2可以看出，當KV2>200 J時，剪切斷面率為100%，隨著KV2的下降，剪切斷面率也呈下降趨勢，FATT50對應的KV2約為50～55 J。將ASTM A705 type630-480和ASTM A705 type630-550沖擊試樣的斷口用掃描電鏡(SEM)觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：ASTM A705 type630-480沖擊試樣斷口為準解理+韌性斷口，可見解理狀態的絲狀物質[3]，剪切斷面率<50%；ASTM A705 type630-550沖擊試樣斷口完全為韌性斷口，又有一定數量的韌窩，剪切斷面率>50%，可以判斷KV2為27 J時對應試樣的斷面為準解理斷口。

表2 ASTM A705 type630熱處理后KV2和剪切斷面率的測試結果

圖2 ASTM A705 type630-480和ASTM A705 type630-550沖擊試樣斷口的SEM形貌

3.2 側膨脹值(LE)

測量材料在夏比V型沖擊試樣缺口根部區域承受三軸應力條件下抵抗斷裂的能力[4]，需要測量材料在這一區域的壓縮變形量，因其測量比較困難，所以通常采用斷裂平面上缺口對面的膨脹值，即LE代替壓縮變形量，ASME 《鍋爐及壓力容器規范》中規定不同零件最大有效厚度與LE的關系如圖3所示。由圖3可知:當零件最大有效厚度小于35 mm時，LE≥0.40 mm；當零件最大有效厚度大于70 mm時，LE≥0.60 mm。

圖3 不同零件最大有效厚度與LE的關系

將低溫材料ASTM A182 F22鋼和ASTM A182 F6NM鋼進行熱處理后，測試材料的力學性能及LE，結果如表3所示。從表3可以看出，不同材料的KV2變化趨勢均與LE變化趨勢一致。

4 結論

(1) 由于V型沖擊試樣缺口的敏感性較高，在相同材料、相同熱處理條件下，KV2180 J時，KV2略低于KU2，沖擊斷口幾乎為纖維區，剪切斷面率為100%。

表3 不同低溫材料力學性能及LE的測試結果

(2) 當80 J

(3) 剪切斷面率和KV2存在一定的正比關系。當剪切斷面率為50%時，KV2約為50 J，此時應注意材料的選擇及熱處理工藝的設計。

(4)LE和KV2也存在一定的正比關系，當KV2>100 J時，LE/KV2>0.01；當KV2<100 J時，LE/KV2約為0.01。

當LE≥0.40 mm，KV2>40 J和LE≥0.60 mm，KV2>60 J時，應注意材料的選擇及熱處理工藝的設計。