（材料学专业论文）低合金高强度结构钢及其焊接头的韧性研究.pdf

摘要 摘要 本文对低合金高强度结构钢s h t 4 9 0 c 和s h t 7 8 0 c 、以及s h t 7 8 0 c 钢的焊 缝在不同的温度下进行冲击韧性及断裂韧性的测定，对两种韧性指标的关系进行 了分析。并采用金相显微镜、显微硬度计、x 射线衍射( x l d ) 、能谱仪( e d s ) 、 透射电子显微镜( t e m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 等检测方法研究了材料的组 织结构、断口形貌，讨论了材料韧性与温度的关系，研究断裂机理。 s h t 4 9 0 c 的金相组织主要是针状铁素体和珠光体组织，晶粒较细，沿轧制 方向取向不是很明显。s h t 7 8 0 c 母材的金相组织主要是下贝氏体，晶粒细小， 晶粒沿着轧制方向伸长。s h t 7 8 0 c 焊缝的金相组织主要是晶界铁素体、侧板条 铁素体和粒状贝氏体，还有少量的珠光体组织，晶粒较粗大。s h t 7 8 0 c 母材组 织中有孪晶亚结构出现，位错密度较大，合金化合物细小弥散分布在基体上。焊 缝中位错密度较小，夹杂物以球状颗粒存在，尺寸较大。s h t 7 8 0 c 的主要合金 化合物是( n b ，t i ) ( c ，n ) ，其焊缝的主要合金化合物为f e m n t i 0 4 、t i 2 0 3 ，母材和焊 缝都有f e 4 n 和f e 3 c 析出物。由于组织结构、析出物的不同，显微硬度存在很大 差异，焊缝的硬度最低，热影响区的硬度最高且分布很不均匀，母材的硬度介于 焊缝和热影响区之间。 根据夏比冲击试验结果，可以得出：三种材料冲击吸收功的总趋势是随着温 度的降低而降低；s h t 7 8 0 c 焊接头的韧性低于母材。母材c 方向的韧性优于l 方向，随着温度的升高，c 和l 方向的差别减小，方向对s h t 7 8 0 c 的影响大于 s h t 4 9 0 c 。观察母材和焊缝冲击试样断口微观形貌断口形貌，随温度降低，材料 由韧性断裂转变成准解理断裂。 对冲击试样断口中出现的夹杂物进行能谱分析，发现s h t 7 8 0 c 母材夹杂物 成分与焊缝有很大不同，母材夹杂物中合金元素含量较少；焊缝中夹杂物合金元 素种类较多，含量较高。焊缝区韧性低于母材的原因是在焊接过程中造成合金元 素的氧化，形成f e m n t i 和t i 的氧化物夹杂，焊接时的冶金过程使材料弱化，夹 杂物超标，造成材料脆化的结论，说明焊接工艺对韧性的影响是显著的，提高焊 缝的韧性除材料本身的影响外，焊接方法和工艺的影响是必须考虑的。 在c t o d 试验中，母材和焊缝的6 c 值均在4 0 时达到最大，焊缝断裂韧性 山东大学硕士学位论文 介于母材两个方向之间。c t o d 值可能会出现两个峰值，对于s h t 7 8 0 c ，c 方 向的韧性要高于l 方向的，而对s h t 4 9 0 c 受缺口方向影响不是很明显，s h t 4 9 0 c 的6 c 值高于s h t 7 8 0 c 。 8 c ( t ) 与a k v ( t + a t ) 具有线性关系，同一种材料温度变化是6 c ( t ) a k v ( t + a t ) 的比值变化很小。8 c ( t ) a k v ( t + a t ) 不是个定值，对于不同材料比值是不同的。 关键词：低合金高强度结构钢；冲击韧性；断裂韧性；焊接 a b s t r a c t a b s t r a c t i m p a c tt o u g h n e s sa n df r a c t u r et o u g h n e s so fh i g hs t r e n g t hl o wa l l o ys t r u c t u r a l s t e e l ss h t 4 9 0 ca n ds h t 7 8 0 cw e r ei n v e s t i g a t e di nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s a n dw e l d m e t a lo fs h t 7 8 0 cw e r ea l s os t u d i e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w oi n d i c e sw a s a n a l y z e d t h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h ef r a c t u r em o r p h o l o g yo ft h e s em a t e r i a l sw e r e s t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，m i c r o h a r d n e s st e s t e r , x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，e n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) f r a c t u r e m e c h a n i s ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o u g h n e s sa n dt e m p e r a t u r ew e r e d i s c u s s e d t h em i c r o s t r u c t u r e so fs h t 4 9 0 cw e r em a i n l ya c i c u l a rf e r r i t ea n dp e a r l i t e ， w h o s eg r a i n sw e r ef i n ea n dg r o wo r i e n t a t i o ni sn o to b v i o u sa l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o n t h em i c r o s t r u c t u r e so fs h t 7 8 0 cw e r em a i n l yl o wb a i n i t e ，w h i c hw a sf i n ea n dt h e o r i e n t a t i o na l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o n t h em i c r o s t r u c t u r eo fs h t 7 8 0 cw e l dm e t a l w a sm a i n l ya c i c u l a rb o u n d a r yf e r r i t e ，s i d ep l a t ef e r r i t e ，g r a n u l a rb a i n i t e ，a n daf e w p e a r l i t e t h et w i ns u b s t r u c t u r ew a so b s e r v e di ns h t 7 8 0 c ，a n dt h ei n d e n s i t yo f d i s l o c a t i o nw a sl a r g e t h ea l l o yc o m p o u n d sd i s t r i b u t e di nt h em a t r i xd i s p e r s i v e l y b u t t h ei n d e n s i t yi nt h ew e l dm e t a lw a sl o w , a n dt h ei n c l u s i o nw a se x i t e di ns p h e r i c a l f o r m ，t h es i z ei sl a r g e t h ea l l o yc o m p o u n di nb a s em e t a li sm a i n l yf n b ，t i ) ( c n ) ， w h i l ef e m n t i 0 4a n dt i 2 0 3i nw e l dm e t a l f e 4 na n df e 3 cw e r ea p p e a r e di nb o t l lo f t h e m d u et ot h ed i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e s ，t h e r ew a sg r e a t d i f f e r e n c ei n m i c r o h a r d n e s s t h ew e l dh a dt h em i n i m u mh a r d n e s s ，w h i l et h eh e a ta f f e c t e dz o n eh a d t h em a x i m u mb u tu n e v e nh a r d n e s s t h eh a r d n e s so ft h eb a s em e t a lw a sb e t w e e nt h e w e l da n dh e a ta f f e c t e dz o n e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fc h a r p yi m p a c tt e s tc a nb ed r a w n ：t h ei m p a c ta b s o r b e n e r g yo ft h et h r e em a t e r i a l sw e r ed e c r e a s i n gw h e nt h et e m p e r a t u r er e d u c e d ；t h e t o u g h n e s so fs h t 7 8 0 cw e l dm e t a lw a sl o w e rt h a n t h a to ft h eb a s em e t a l t h e t o u g h n e s so fcd i r e c t i o nw a ss u p e r i o rt ot h a to fld i r e c t i o n w i t l lt h et e m p e r a t u r e i n c r e a s i n g ，t h ed i f f e r e n c e o fca n dlt h ed i r e c t i o nd e c r e a s e s a n dt h ed i r e c t i o n i n f l u e n c eo fs h t 7 8 0 cw a sm o r et h a nt 1 1 a to fs h t 4 9 0 c t h ei m p a c tf r a c t u r em o r p h o l o g y so fb a s em e t a la n dw e l dw e r eo b s e r v e d w i t h t h et e m p e r a t u r er e d u c e d ，t h ef r a c t u r em o r p h o l o g y sc h a n g e df r o mt h ed u c t i l ef r a c t u r e t oq u a s i c l e a v a g ef r a c t u r e t h ei n c l u s i o n sa p p e a r di nt h ef r a c t u r e s u r f a c e sw e r e i i i 东大学硕十学位论文 a n a l y s e db ye d s t h ea l l o ye l e m e n t so fi n c l u s i o n si nt h ew e l dm e t a lw e r em o r et h a n t h a ti nb a s em e t a l t h et o u g h n e s so fw e l dm e t a lw a sl o w e rt h a nt h eb a s em e t a l ， b e c a u s ef e m n t ia n dt io x i d ei n c l u s i o n sw e r ef o r m e di nt h ew e l d i n gp r o c e s sa n d m a t e r i a l sw e r ew e a k e n e di nw e l d i n gm e t a l l u r g i c a lp r o c e s s t h ew e l d i n gp r o c e s sh a d s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h et o u g h n e s so ft h em a t e r i a l s i nt h ec t o dt e s t ，8 co ft h eb a s em e t a l sa n dw e l dm e t a lr e a c h e dt h ep e a ki n - 4 0 t h ef r a c t u r et o u g h n e s so fw e l dm e t a lw a sb e t w e e nt h a to ft h et w od i r e c t i o n so f b a s em e t a l f o rs h t 7 8 0 c ，t h et o u g h n e s so fcd i r e c t i o nw a sh i g h e rt h a nt h a to fl d i r e c t i o n ，w h i l et h ed i r e c t i o no fs h t 4 9 0 ca f f e c t e db yt h ed i r e c t i o n sw a sn o to b v i o u s 8 co fs h t 4 9 0 cw a sh i g h e rt h a nt h a to fs h t 7 8 0 c t h e r e l a t i o n s h i p o f8 c ( t ) a n da k v ( t + a t ) w a sl i n e a r , t h er a t i oo f 8 c ( t ) a k v ( t + a t ) o ft h es a m em a t e r i a lc h a n g e dl i t t l ew h e nt h et e m p e r a t u r e sc h a n g e d b u tt h er a t i oo f6 c ( t ) a k v ( t + t ) w a sn o tac o n s t a n t ，i tv a r i e dw i t hd i f f e r e n t m a t e d a l s k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hl o wa l l o ys t r u c t u r a ls t e e l ；i m p a c tt o u g h n e s s ；f r a c t u r e t o u g h n e s s ；w e l d i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：轻z 殛一 日 期：丝学业 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：必遮聊签名：厘丝日期： 第一章绪论 曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼皇i ii i 曼曼蔓曼! ! ! ! ! 曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼鼍量曼曼曼曼量舅曼皇曼曼曼曼曼曼鼍 1 1 引言 第一章绪论 矿山开采和各类工程用的设备【l 】，如钻机、电炉、电动轮翻斗车、挖掘机、 装载机、推土机、各类起重设备及煤矿液压支架等机械设备总称为工程机械。这 些机械的制造所需的焊接结构部件用材通常称为工程机械用钢。工程机械在工作 时主要承受变动载荷，受力情况非常复杂，其机件内部应力应变状态亦非常复杂， 因此要求钢材具有高的屈服强度和疲劳极限，良好的冲击韧性、冷成形性和优良 的焊接性能。 磨损、腐蚀和断裂是机件的主要失效形式，其中以断裂的危害最大。断裂是 在构件内部形成新的表面并继续扩展造成构件净截面的减小直至断开。按照断裂 过程中缺陷的扩展速度、裂纹尖端发生的塑性变形、断口形貌和断裂过程中吸收 的能量几个方面，材料的断裂破坏可以表现为两种类型：脆性断裂和韧性断裂。 而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显的征兆， 因而危害性非常大。 为了防止断裂失效，传统的力学强度理论是根据材料的屈服强度，用强度储 备方法确定工作压力：o _ d i i j 喜暑 6 舌 要藿 2 右 囊 。 图4 6c 方向与l 方向的c h 砷y v 差值随温度的变化曲线 根据夏比冲击试验结果，可以得出：三种材料冲击吸收功的总趋势是随着温 度的降低而降低，两种母材在上平台冲击功有波动；s h t 7 8 0 焊缝的韧性低于母 材，冲击吸收功低，韧脆转变温度e t t 5 0 高。 两种母材c 方向的韧性优于l 方向，韧脆转变温度e 1 v r 5 0 低于l 方向，冲 击吸收功高于l 方向；c 方向上平台的温度低于l 方向，能在更低的温度保持 上平台良好的韧性。钢的轧制方向影响到晶粒的生长取向，晶粒沿轧制方向被拉 长，沿轧制方向晶界少于垂直于轧制方向，影响裂纹扩展。当缺口沿轧制方向扩 展时，晶界相对较少，对裂纹扩展的作用程度较小，垂直于轧制方向晶界较多， 阻碍裂纹扩展程度较大，并且晶粒沿轧制方向拉长，平行的组织之间结合力较弱， 使得沿组织方向上冲击功明显降低，降低了材料的冲击韧性，所以c 方向比l 方向的冲击吸收功大，韧性相对好。 l 方向的冲击吸收功随温度的降低变化比c 方向慢，在转变温度区间，c 方 3 7 ijf 东大学硕十学位论文 向的冲击吸收功受温度影响较大。随着温度的升高，c 和l 方向的差别减小，方 向对s h t 7 8 0 c 的影响大于s h t 4 9 0 c 。 4 3 断口形貌观察 冲击吸收功的大小并不完全反映材料的韧脆性质，把冲击吸收功的值和冲击 断口形貌特征结合起来考虑，能更好的评价其韧性。 4 3 1 宏观分析 冲击试样的宏观断口是试样断裂过程中冲击力作用的结果，一般可分为三 部分纤维区、结晶( 放射) 区和剪切唇区。首先在缺口附近形成裂纹出现纤维区， 然后裂纹向两侧和深度方向稳态扩展。当裂纹稳定扩展到临界尺寸时，裂纹开始 快速失稳扩展，形成断口的放射区。放射区有放射花样，放射方向与裂纹扩展方 向相平行，垂直于裂纹前沿的轮廓线并逆指向裂纹源。断裂过程的最后阶段形成 剪切唇，剪切唇沿无切口的其他三侧边分布。纤维区同放射区或剪切唇相连接的 边界常呈弧形。有时在断口还看到两个纤维区，放射区位于两个纤维区之间，这 是由于在冲击作用下，缺口一侧受张应力，不开缺口的另一侧受压应力，在整个 断面上受力方向不同，当裂纹进入压应力区时，压缩变形对裂纹的扩展起着阻滞 作用，使扩展速度显著降低，所以当受张应力的放射区进入受压区时可能消失而 重新出现纤维区。三个区域所占断口面积的比例随着材料塑性好坏而不同，若材 料的塑性足够好，则放射区完全消失，整个截面上将只有纤维区和剪切唇2 个区 域；塑性差，断口上以结晶区为主。 对母材、焊缝试样在2 0 、5 0 、8 0 、1 1 0 四个试验温度下的冲击试 验进行宏观断口形貌观察，可以发现断口的变形程度和断口宏观形貌与母材、焊 缝的冲击功有较好的对应关系。 3 8 篁! ! ：! ! 罂：薹塑：i 量竺! ! ! 坌! ! 匿i i ：蜀切口e ：j 吕放射区 i l 圈纤维区匡：! 圈* 切唇 e 三 裂纹扩屉方向 图4 - 7 c h a r p y v 冲击试验试样断口示意毪i 1 ) 洲t 4 9 0 c 宏观断口 图4 _ 8 是s h t 4 9 0 c - c 方向四个试验温度下的冲击试样断口的宏观形貌照片。 从图中可以观察到在- 2 0 c ，- 5 0 c ，- 8 0 c 对宏观断口均有很大的塑性变形，表明 断裂过程是在应力水平高于整体屈服应力下，断面发生大量塑性变形及能量吸收 的过程。在- 2 0 ，- 5 0 时断口中没有结晶区，整个断口由纤维区和剪切厝组成 表面粗糙不平，表现为典型的延性断裂，有根高的冲击韧性，形成了与扩展方向 垂直的层状撕裂纤维状结构。在8 0 时断口中出现了相当比例的结晶区，纤维 区缩小较多断口为韧窝+ 准解理的形式。随温度降低，冲击韧性有了很大的降 低。到1 1 0 时，整个断口平齐，试样断裂前宏观的塑性变形很小，缺口启裂处 几乎不存在纤维区，放射区占有非常大的比例，在断口周边有少量的剪切唇区， 为典型的脆性断裂。该试样的冲击功非常低，表现出极高的脆性。 随着温度的降低，断口上的纤维区越来越小，断面由凹凸不平向平齐转变，纤维 区和剪切唇区域越来越小放射状裂纹扩展特征愈加明显，断口宏观形貌特征从 韧性断裂特征转变成脆性断裂。裂纹的冲击功主要消耗在经过塑性变形而形成的 纤维断口上，冲击功随着纤维区的增大而增大冲击功上平台以纤维区为主，韧 性较好，为延性断裂。下平台以结晶区为主韧性较差，为脆性断裂。 图4 - 8s h t 4 9 0 c - c 断口形貌：( 劬- 2 0 1 2 ；( b ) - 5 0 c ：( c ) - 8 0 c ：q ) 1 1 0 c 图4 - 9 是s h t 4 9 0 c l 方向四个试验温度下的冲击试样断口的宏观形貌照片。 从图中可以观察到在- 2 0 c ，5 0 0 ，8 0 c 时宏观断口有很大的塑性变形，在- 2 0 时断口中没有结晶区，断口由纤维区和剪切唇组成，为韧性断裂，有很高的冲击 韧性。在5 0 c 断口中出现了结晶区，纤维区仍有相当大的比例。到了8 0 时只 在缺口启裂处存在少量纤维区冲击韧性有了很大的降低。到- 1 l o 时，整个断 口较平齐试样断裂前宏观的塑性变形很小，几乎不存在纤维区，放射区占有非 常大的比例，在断口周边有少量的剪切唇区，为脆性断裂。 s h t 4 9 0 c 母材c 方向与l 方向的宏观断口相比较，在一2 0 c 均是纤维区为主， 表现为较好的冲击韧性。在- 5 0 0 时l 方向时出现了一定比例的放射区，而c 方 向仍是纤维区为主；8 0 时，l 方向纤维区的比例小于c 方向；1 1 0 c 时l 方 向与c 方向的断口都是放射区为主，均为典型的脆性断口，但l 方向的断口较c 方向平整，可以从断r a 形貌上分辨出这三个温度c 方向的韧性优于l 方向。 蚕璺耋2 竺! 兰墼量墨圣望：坌丝 图4 - 9 s h t 4 9 g c - l 断口形貌：( 曲一2 0 c ：嘞5 0 c ；( c ) ；( d ) 一1 1 0 c 2 ) s h t 7 8 0 c 宏观断口 圈4 - 1 0 是s h t 7 8 0 c 母材c 方向四个试验温度下的冲击试样断口的宏观形貌 照片，与s h t 4 9 0 c 类似。- 2 0 ，5 0 c ，- 8 0 c 时宏观断口均有很大的塑性薅眵， 1 1 0 c 仍有少量宏观塑性变形，表明在1 1 0 c 断裂时仍有一定的应力水平，断面 发生塑性变形及能量吸收。在- 2 0 c ，- 5 0 时断口中没有放射区，由纤维区和剪 切唇组成，为典型的延性断裂，冲击韧性较好。在- 鲫断口中出现了相当比例 的结晶区，纤维区较少，随温度降低，冲击韧性有了很大的降低。到- 1 1 0 时， 试样断裂前宏观的塑性变形很小，缺口启裂处几乎不存在纤维区，放射区占有非 常大的比例，在断口周边有少量的剪切唇区，冲击功低，为典型的脆性断裂。 图4 - 1 1 是s 肼8 0 c 母材l 方向四个试验温度下的冲击试样断口的宏观形貌 照片。在- 2 0 c ，5 0 c 时宏观断口有很大的塑性变形，断口由纤维区和剪切唇组 成，典型的韧性断裂，有很高的冲击韧性。8 0 宏观变形较小，出现结晶区， 纤维区比例很大程度的减少，只在缺口启裂处存在少量纤维区，冲击韧性较低。 到1 1 0 c 时，试样宏观塑性变形很小。断口形貌以放射区为主，在断口周边有少 量的剪切唇区，为脆性断裂。 圈4 i is h t 7 8 0 c - l 断口形貌：( a ) - 2 0 c ；( b ) 5 0 c ：( c ) - 8 0 c ：( d ) - l i o c 第四章c h a r p y 试验结果及断口分析 s h t 7 8 0 c 母材c 方向与l 方向的宏观断口相比较，在- 2 0 ，- 5 0 均是纤 维区为主表现为较好的冲击韧性。都在- 8 0 c 时出现了结晶区，c 方向比l 方 向纤维区的比例大，c 方向的冲击韧性明显高于l 方向。1 1 0 时l 方向与c 方向的断口都是放射区为主，均为典型的脆性断口。 3 ) s l i t 7 8 0 ( ：焊缝宏观断口 图4 - 1 2 是s h t 7 8 0 c 焊缝宏观断口形貌，通过观察比较可以看出，冲击试样 的断口的变形程度不同，- 2 0 。- 5 0 冲击试样断口在断裂前发生了明显的塑性 变形，形状根不规则，- 8 0 塑性变形较小，- 1 1 0 冲击试样断口平整。解理断口 中可看到取向不向的平坦、光滑的小平面，称为解理小刻面，呈现金属光泽。- 2 0 时以纤维区为主，出现了少量的结晶区此时韧性较好。- 5 0 时结晶区的比例 明显增加- 、1 1 0 c 时几乎不存在纤维区韧性报差。与母材相比较，韧性 降低明显。 图4 - 1 2 s h t 7 8 0 c 焊缝宏观冲击断口形貌：( a ) - 2 0 c i - 5 0 c ；( c ) - 8 0 c ；q ) - 1 1 0 c 通过对s f i t 4 9 0 c c 方向、s h t 4 9 0 c l 方向、s h t 7 8 0 c - c 方向、s h t 7 8 0 c - l 方向、s h t 7 8 0 焊缝冲击试样宏观断1 ：3 形貌的研究，发现断口形貌与冲击吸收功 【j i 东大学硕十学位论文 有较好的对应关系。随着温度的降低，断口的纤维区逐渐减少，结晶区增大，由 韧性断裂逐渐向脆性断裂转变。 4 3 2 微观分析 为了观察冲击试样断口微观形貌，选择母材和焊缝几个较为典型的冲击断 口，在扫描电镜下进行断口形貌微观观察。 1 ) 母材断口微观分析 图4 1 3 是s h t 4 9 0 c l 方向2 0 、5 0 、8 0 ( 2 、1 1 0 的冲击断口微观形 貌。图4 1 3 a 、c 是2 0 、5 0 裂纹启裂处的微观形貌，为剪切断裂，裂纹源处 的裂纹是顺最大切应力方向形成的，所以形貌为拉长的韧窝，韧窝很浅，由于受 到的剪切力较大，图4 1 3 a 、c 的形貌相近。在冲击弯曲载荷作用下，缺口根部 因应力集中而使应力超过屈服强度，并产生强烈塑性变形和形变强化。切应力作 用下位错的滑移台阶引起应力的进一步局部集中，并在扩大的滑移台阶缺陷处萌 生出剪切裂纹胚芽，并剪切生长【6 3 】。断1 2 1 微观组织为沿一定方向被拉长的韧窝， 这表明在断裂过程中受到不均匀的拉应力作用，即发生了撕裂，启裂阶段为平面 应力状态。平面应力状态下，缺口部位在三个方向上都发生应变，不受拘束，因 此样品的断裂由撕裂造成，韧窝呈方向性生长畔j 。 图4 1 3 b 、d 、e 、g 是各温度纤维区的形貌，图4 1 3 b 、d 、e 是被拉长的韧 窝，图4 1 3 9 为等轴韧窝，韧窝均较深。韧窝底部含有夹杂物，这是因为韧窝是 由于裂纹在夹杂物上形核而形成的，这说明了韧窝的产生机理为微孔聚集型机 理。韧窝大小不一，大韧窝周围密集这小韧窝。第二相质点对韧窝的形核有着重 要作用，较大的韧窝较大的质点。各温度在纤维区扩展均需要消耗较多的能量， 韧窝占主要部分，试样的裂纹失稳扩展阶段很短，在整个断裂过程中裂纹扩展呈 较缓慢的稳定扩展特征，韧窝处形核的微裂纹其扩展是相互连接直到最终断裂， 反映具有良好的韧性。随着温度的降低，韧窝深度变小，密度变大，韧性变差。 在1 l o 冲击试样断口中，仅在启裂处存在少量这种韧窝形貌，表明该冲击温度 下金属具有韧性较差。 图4 1 3 f , h 是s h t 4 9 0 c l 方向8 0 、1 1 0 试样断口结晶区的形貌。图4 1 3 f 、 h 都是典型的准解理断口形貌，从图中可以看到河流花样，图4 1 3 h 中还出现了 薹塑呈：! 錾馨薹墼丝尘垒堑! 坌! ： 掣4 - 1 3s h t 4 9 0 c - l 方向冲击断口微观形貌 a ) - 2 0 c 裂纹启裂处：( b ) - 2 0 c t 维i x - ：( c ) + 5 0 c 裂纹肩裂处；( d ) 一5 0 c 纤维僻 ( e ) - 8 0 c 纤维k ：( o 一8 0 结品压：( g ) - 1 1 0 纤维r ：( h ) - 】0 站品r 生查奎茎堡三兰竺鎏兰 圈4 - 1 4s h t 4 9 0 c c 方向冲击断口微观形貌 ( a ) 一2 0 纤维区； 年0 纤维区；o 卜8 0 裂纹启裂处：( d ) 0 结晶区 ( 0 1 1 0 纤维区：( 0 - i i o c 结晶区 微裂纹。准解理断口形貌的存在及其所占比例反映了在低温下脆性的大小，断口 中准解理形貌所占比例越大，表明裂纹失稳扩展阶段越长，低温韧性越差。- 8 0 0 、 1 i o c 断口中准解理形貌所占的比例很大，- 1 1 0 ( 2 只有在紧靠缺口处周围看到较 少的局部塑性区，说明此时韧性较差。 图4 - 1 4 是s h t 4 9 0 c c 方向- 2 0 、5 0 c 、8 0 、一l l o c 冲击断口微观形貌。 图4 1 4 a 、b 、e 是试样断口纤维区的形貌，都具有韧窝特征。随着温度的降低， 韧窝变小并且越来越浅，说明韧性逐渐降低。图4 - 1 4 c 是启裂区的形貌，受到不 第四章c h a r p y 试验结果及断口分析 均匀的拉应力作用，发生撕裂，形成拉长并且很拽的韧窝结构。 图4 - 1 4d 、f 是8 0 、一1 1 0 裂纹结晶区的形貌。都是典型的准解理断口形 貌，从图中可以清晰地看到河流花样。与同温度下的l 方向类似，断口中准解理 形貌所占的比例很大，只在缺口启裂处有少量的局部塑性区，韧性较差。 图4 - 1 5 是s h t 7 8 0 c - l 方向、- 1 l o 冲击断口微观形貌。图4 - 1 5 a 、c 是试样断口纤维区的形貌，具有韧寓结构，但韧窝都比较浅，说明韧性较低。图 4 - 1 5 c 、d 是试样断口结晶区的形貌，是解理断口形貌，具有河流花样、撕裂棱等。 墨，四匠墨宣面i 盈墨_ 墨四宙曩暖面i 面雹血曩 图4 - 1 5s h t 7 8 0 c - l 方向冲击断口微观形貌 ( a ) - 8 0 c 纤维区：( b ) - 8 0 c 结晶区；( 0 - 1 1 0 c 纤维区：( d ) - 1 1 0 c 结晶区 2 ) 焊缝断口微观分析 图4 - 1 6 是焊缝冲击断口的微观形貌图，与母材具有类似的规律。图4 - 1 6 a 、 c 、e 是焊缝试样断口裂纹扩展前期的扫描图片。都是典型的韧窝断口，韧窝被 拉长是抛物线形韧窝，焊缝试样在启裂区都是延性断裂。图4 - 1 6 a 韧窝被拉长， 在断裂时受到了很大的切应力图4 1 6 c 韧寓断口表面有许许多多个凹坑形韧窝 山东大学硕士学位论文 韧窝底部含有夹杂物，一般都是在焊接冶金反应过程中形成的嘲韧窝是由于裂 纹在夹杂物上形核而形成的。 图4 - 1 6 b 、d 、f 是焊缝试样断口裂纹扩展部分的扫描图片。图4 - 1 6 o 是纤维 区典型的韧窝断裂，焊缝具有很好的韧性。图4 - 1 6 d 、f 是结晶区，都是典型 的准解理断口形貌，从图中可以清晰地看到河流花样。断口中准解理形貌所占比 例大，裂纹失稳扩展阶段长，焊缝低温韧性差。在图4 - 1 6 f 焊缝试样新口放射区 中观察到了微观裂纹，说明8 0 焊缝韧性很差。 = a 重墨臣j i 面i 墨口一 图4 - 1 6 s h t t $ 0 c 捍缝冲击断口微观形貌： ( c ) - 5 0 c 裂纹扩展前期；( d ) 5 0 结晶区 互j 国臣卫l 互】互卫团 ( i ) - 2 0 c 裂纹扩展前期；t b ) 珈纤维区 ( e 瑚裂纹扩展前期；( o - 8 0 c 结晶区 第阴章c h a r p y 试验结果及断口分析 仔细比较母材和焊缝试样断口微观形貌，可以得出如下的结论： ( 1 ) 2 0 * ( 2 冲击试样断口均以纤维区和剪切唇为主，微观形貌为典型的韧窝断 口，这说明2 0 时母材和焊缝金属都具有较高的冲击韧性。焊缝出现了少量的 结晶区，且韧窝密度较大，说明该温度下母材的冲击韧性比焊缝好。 ( 2 ) 母材在5 0 c 时仍以纤维区为主，焊缝出现了较大比例的结晶区，焊缝微 观形貌为韧窝准解理断口。 ( 3 ) 8 0 母材出现了较大比例的结晶区，而焊缝以结晶区为主，仅出现少量 的纤维区，其扩展区以准解理为主。1 1 0 母材和焊缝均为脆性断裂。随温度降 低，材料韧性有较大的下降，断口形貌由韧性断裂转变成准解理断裂。 4 4 夹杂物能谱分析 在扫描电镜观察断口微观形貌时，发现母材和焊缝金属冲击断口纤维区有较 哇 多的球形夹杂物，位于断口的韧窝底部。利用o x f o r di n c axs i g h t 能谱仪对夹 杂物进行微区成分分析，以确定夹杂物的组成元素，图4 1 7 、4 1 8 、4 1 9 是夹杂 物成分能谱分析的谱线图，表4 6 、4 7 、4 8 是元素成分比例。由实验结果得到， s h t 7 8 0 c 母材夹杂物成分分析谱线中含有m n 、m o 、s i 含量相对较多，推测主 要为锰、钼、硅的碳化物夹杂；s h t 4 9 0 c 中含有m n ，推测主要为锰的碳化物央 兽 杂。焊缝中能谱分析主要含有o 、t i 、s i 、m n 、a i 较多，推测为t i 、s i 、m n 、 a l 的氧化物夹杂。母材夹杂物中合金元素含量较少；焊缝中夹杂物合金元素种 类较多，含量较高。 f q m n o 八 。i 。i - 。_ 。- 。i 。l 。- 。- 。i 。i 。- 。 123456 瞒量程4 7 4 5c t s 光标：6 8 18 ( 4 5c t s ) k e y 图4 1 7s h t 7 8 0 c 母材夹杂物成分 4 9 【l j 东大学硕七学位论文 表4 - 6s h t 7 8 0 c 钢夹杂物成分 图4 18s h t 4 9 0 c 夹杂物成分 表4 7s h t 4 9 0 c 钢夹杂物成分 k 挑 旦 。l 。l 。i 。i 。i 。 12345 f 山s c a l e5 5 2 7e l sc u r s o r ：0 0 0 0k e v k e y 图4 1 9s h t 7 8 0 c 焊缝夹杂物成分 第四章c h a r p y 试验结果及断几分析 表4 - 8s h t 7 8 0 c 焊缝夹杂物成分 4 5 小结 ( 1 ) 根据夏比冲击试验结果，可以得出：三种材料冲击吸收功的总趋势是随 着温度的降低而降低，两种母材在上平台冲击功有波动；s h t 7 8 0 焊缝的韧性低 于母材。由于钢的s l n 方向影响到晶粒的生长取向，晶粒沿轧制方向被拉长，垂 直轧制方向晶界多于轧制方向，影响裂纹扩展，所以c 方向比l 方向的冲击吸 收功大，韧性好。随着温度的升高，c 和l 方向的差别减小，方向对s h t 7 8 0 c 的影响大于s h t 4 9 0 c 。 ( 2 ) 仔细比较母材和焊缝试样断口微观形貌，可以得出如下的结论：2 0 冲 击试样断口均以纤维区和剪切唇为主，该温度下韧性好；母材在5 0 时仍以纤 维区为主，焊缝出现了较大比例的结晶区；8 0 母材出现了较大比例的结晶区， 而焊缝以结晶区为主；1 1 0 母材和焊缝均为脆性断裂。随温度降低，材料韧性 有较大的下降，断口形貌由韧性断裂转变成准解理断裂。母材夹杂物中合金元素 含量较少，多为合金元素碳化物；焊缝中夹杂物为合金元素氧化物为主，夹杂物 超标，材料弱化，导致焊缝区韧性低于母材。 第而章c t o d 试验结果及断几分析 曼m u mmn nmmm _ 曼 第五章c t o d 试验结果及断口分析 断裂韧度是非常重要断裂指标，传统的冲击韧性指标无法对工程机械用钢是 否发生脆性断裂做出准确分析。本章对两种母材及焊缝进行了不同温度下c t o d 试验，研究c t o d 值与温度的关系，并对其断口形貌进行分析。本章的成果为 工程机械用钢的低温断裂提供重要的试验依据。 5 1c t o d 试验结果 5 1 1c t o d 试验数据整理 按照标准的规范程序进行c t o d 试验，断口有效性检验都符合规范要求。 试验中测定载荷p 引伸计位移v 曲线，试验所得曲线如图5 1 ，取最大载荷值作 为特征值。由于材料的韧性都很好，裂纹扩展之前裂纹尖端出现很大的变形，裂 纹的扩展为延性扩展，速度缓慢。p v 曲线达到最高点后开始进入下降段。整个 试验过程中没有脆性断裂现象。v p 的获得方法如图5 1 ，在最大载荷处做平行与 塑性变形部分的直线，直线与v 坐标的交点即为v p 的值。 2 0 日日 1 0 日 锄 z 兰6 0 0 0 正 舢 撇 o v ( m m ) 图5 1 焊缝室温c t o d 试验的载荷位移曲线 根据g b 4 2 9 1 1 9 9 9 和g b 2 3 5 8 1 9 9 4 量取裂纹长度裂纹长度包括线切割裂 纹和疲劳裂纹，量取方法如图5 2 。s h t 7 8 0 c 和s h t 4 9 0 c 两种钢由于韧性很好， 在5 0 c 以上没出现脆性断裂区，裂纹的尖端出现很大的塑性变形，裂纹扩展量 较小。 图5 - 2c t o d 裂纹测量示意图：( 砷母材：c o ) 焊缝 5 1 2c t o d 试验结果 根据试验中测得的有关数据，按照下式计算c t o d 值，即 s = 疋+ s ，= ! i i ；j 竽+ i i ； 式中：6 一裂纹尖端张开位移的弹性分量： 6 。裂纹尖端张开位移的塑性分量： v o _ _ p - v 曲线上去指点对应的夹式引伸计位移的塑性部分 。厂教测点屈服强度； r 。旋转因子，焊缝取0 4 5 ，母材取0 4 4 ； v 一泊松比，取0 3 ： z 为刀口厚度： e 为弹性模量，取2 0 6 x 1 0 5 m p a ： a 一为原始裂纹长度； b 一为试样厚度； w 一为试样宽度： k 广_ 一取值点载荷计算的应力强度因子； k t = 斋- y 为“w 的礅 第五章c t o d 试验结果及断 分析 由于材料的断裂与内部的微观结构关系很大，微小的缺陷、杂质颗粒或其他 原因都会造成的材料局部性质的变化，这些微结构如果处于裂纹扩展方向附近， 就会对试验结果有很大的影响。c t o d 值的测量数据有较大的离散性，单个数据 难以反映材料性质随试验条件的变化规律，所有实验数据的统计能够正确的反映 出实验条件对材料性质的影响。 表5 1 、5 2 和5 3 分别是s h t 7 8 0 c 钢l 方向、c 方向和焊缝试样主要参数 及特征c t o d 值，与试验温度的曲线如图5 3 所示。 表5 1s h t 7 8 0 c l 试样主要参数及特征c t o d 值 山东大学硕士学位论文 表5 2s h t 7 8 0 c - c 试样主要参数及特征c t o d 值 第五章c t o d 试马令结果及断口分析 表5 3s h t 7 8 0 c 焊缝试样主要参数及特征c t o d 值 试验温编 b ( r a m ) w ( n l m ) a o ( r a m ) a o w 度( ) 号 特征c t o d 值6 m6 m 平均值 ( m m )( m m ) 2 0 2