冲击韧性αK值及其影响因素.pdf

扣枷 综 1 1 0 冲击韧性 值及其影响因素 航空航天部6 2 4所重查坚 摘要 l 冲 击制 性反 映 了金 属 材料 在不 同加 载条 件 下的韧 脆 程度 本 文 主 要叙 述冲击 韧性 值 的定 义及 其意 义 并详 细分 析 了影 响金 属 材料 冲击 韧 性的 各因 素 v 关 键 词 力 学 性 能 生 圭 扭 理 化 技 术 垫 堑 墨 王 艺 岔 杆 采用标准试样 夏氏 U型 见图 1 一 前 言 在 重要 的金 属材料零部件 中 遇到大量 的一 二级盘轴 锻件 技术设计时提 出了极其 严格 的力学性能要求 尤其是对 冲击韧性 值的 要求 比较 高 满 足承受复杂冲击或 急 加载荷的性能要求 冲击载荷 与静载荷恂 主要差异在 于加荷 速度 静载荷是指构件变形速率 真 实 u 相对变形 t 一 时间 在 1 0 4 1 0 秒 范围 内 力学性能处 于稳定状 态 当 变 形 速 率 大 于 1 0 秒 时 力学性能将发生显著变化 一 般 工程技术中的机械变形速率变化范 围约是 1 0 6 1 0 秒 因此 静 载荷 所决定的力学 性 能指标不 能描述动态载荷的案件 特 剐是 在变 形速率很大的冲击载荷情况 下 由此 出了冲击 韧性 的概念 二 冲击韧性 的定义和意义 1 为 了使材料 的冲击 鼬性敏感地 反映 出树料 内部 因素 的微小变化 应使材料处于 铷脆过渡的半脆性状 态进行试验 低 温 冲 击 加载和三 向应力状态 均促使金属材料 发生 脆断 一次摆锤 冲击试验 法 就是用来测定 金 属材料受 冲击载荷 的能力 冲击 韧性 试验 镶锻 热 热处理 实践1 9 9 3 1 图 1 冲击试验的标准试样 梅氏 实际上 值 包括 消 耗 于 试 样 的 变 形 弹性和塑性变形 和撕裂坏破 再加上消耗 于试样和 机座 的摩 擦及 将试 样掷 出 机座本 身振动的 吸收功等 2 值的意义 标准夏 氏冲击试样 的试 验方法 是 以大 能量一次作用于大应力 集 中的小截 面试 样 上 零件 的实际受力情况 既有 塑性 功 又有撕 裂功 然而 撕裂功 才最准确 反映材料在 冲 击破坏时 的韧脆性 质 因此 应该从 值 中 将塑性功和撕裂功分离 出来才可作为 衡量材 料 冲击 韧性的指标 但在实际 til e 中真正做 到 尚有 很大 困难 由此看 来 A 或 值作 为 一个力学性 能指标 硐来评定 材料 的韧 脆 性 存 在着许多不足 之处 已有部分 国家在 标准 中不再使 用冲击韧性这 一性 能指标 但 这种试验方法 较之其 它力学性 能 试 验 方 法 能灵敏 地反映出金 属材料 的宏观缺 陷和 显微 组 织方 面的细小质量变化 因而在 生产 和科 研 上还是得 到广 泛使 用 它的主要应用有 维普资讯 1 评定 原材料 的冶金 质量及 热 加 工 后 的产 6 质量 检验材料 的冷脆 蓝耽 I 咀火 脆 热脆 品粒 度 故可 用于控 制热处理质 量 控 制金属均一性 以及发 现材料脆化趋 势 2 对有 冷脆 脱象 的金 l禹和台金 确 定 胎 性 转化温度 3 确定钢材应变时效敏感性 4 作为 材料 承受大能量冲击 时 机 力 指 标或作为评定某些构件 寿命 与可 靠性 的结构 性能指标 所 以 在 选材 技术设计和质 量检验 中 口 值能够作为金 属材料力学性 能重要 的参 考指标 三 影响0 k 值的因素 1 原材 料的形响 金属材料的力学性能不仅取决于化学成 份 和工艺 方法 还 因 尺寸教应 产生 很大 的 性能差异 这是 因为 尺寸效应 方面影晌到 热处理淬透 性 的大 小 另 一方面 随着尺寸的 增大 钢料 的 内部缺陷如偏析 疏松 非金 属 夹杂物 就会加删 压力船 工后钢的组织也不 如小尺寸致密 从而 影响到冲击韧 性等性能 金属材料的晶体结构和晶粒 大 小 金 相 组 织 残 余应力 等亦将 影响 冲击韧性 2 试样的截取和力 工贲法的形响 1 试样的截取 应符 合 G B 2 9 7 5 8 2 钢 材力学及工艺性能试验取样规定 从外观 及尺寸合格的钢材上截取 防止因受热 加工 硬化及变形而影响其性能 必要时在同炉同 批 次的零 件上截取 2 试样必须能反映零件的工作 实际状 况 一般应在受力最大 热加工易产生缺陷的 部位上取样 3 试样的椰 工 一 定 要 严 格 按 照 G B 2 1 0 B 一 8 0或 HB 5 1 4 4 8 0的规定 试样尺寸及 表 面粗糙 度符 台图 1要 求 不 同类型试样所 一 8 一 得的冲出韧性值 不能相互抉算和直接比 较 对某种材料经过大量试验对比和积累数 据后 才可 找到该材料 相应 的换算关 系 试样 加工方法很关 键 加工表面不得碰 伤 过 热 过烧 不允 许出现冷作硬化和磨削 裂纹 重 要情况下 要求用橡胶砂轮磨削 3 材料化学成份的形响 1 台金 元素对钢在加热时组织转变 的 影响 大多数告金 元素如 A T i N b Z r V W Mo C r 除 Mn P等 通过 机械阻碍 钉扎 内吸附 白扩散 效应 能形成稳 定 的碳化物 不溶 于奥 氏体的氧化物 氮化 物 硫化物 都会不 同程度地阻止奥氏体晶粒 长大 使钢淬火回火后获得理想的组织 从而 保证具有较高的韧性 塑性 据参考文献介 绍 粗 细 晶粒铁 的冲 击韧性 口 值高低的 差 异可高这 4 O O 表 1 而 由拉 伸试验得到韵 标准静态性能却变化较小 3 0 呖 表 l 粗 绷昌粒的铁在不同加 慧条 件下 的力 学性 能 2 台金元素对过冷奥氏体分解的影响 除 Co A1 外 合金 元索大 多能使 Ms点降低 淬 火后残余 奥氏体 量增 多 使淬 火锅的 硬 度下 降 而韧 塑性提高 3 凡是 同时提高钢的强 度 塑 性 的 元 素 均 使冲击韧性提高 其 中 Ni 效果最好 S i Mn的含 量如超过 1 2 呖 钢的冲击韧 性 随塑性的下降而弱化 4 在含有 碳化物形成 元素 Cr W Mo V Nb等的台金 钢中 如 C r I 2 Mo V W1 8 C r 4 V 钢 在 5 0 0 6 0 0 之间回火刚 可产 生 二次 硬 化 或 二 次淬 火 现象 这样 不但提 高 了 钢 的强 度 还改善 了韧性 5 增大 回火脆性 的元素有 Mn S i Cr 1 9 9 3 N o 1 铸锻热 热处理实践 维普资讯 V Nj 等 钢 中杂质 P S b S n对 回火脆性最 为敏感 其含量要严格控制 6 含 碳量 是化学成份中影响 值的最 重要 的 因素之 一 碳素钢含碳量越高 淬透 性与淬硬 性越好 强度越高 但韧 性 塑性下 降 图 2 3 卷 I 网 火愠 鬻 CJ 图2 碳素钢淬火后温度对 值的嚣响 合金 钢昀 值对 c和 非 常 敏 感 c嘶 超 标 1 l o 值 可 下 降 2 O 例 1 8 C r 2 N i 4 WA钢套齿零件 在 相 同的热处理状态 下 因 C 相差 0 2 和 时 而 值却相 差 2 0 0 麦 2 袭 2 1 8 C r 2 Ni 4 W A钢含馥置对 值的影响 0 2 L HB5 0 Z 4 8 9 4 热处 理工 艺方 浩对 值的 影响 1 首先各种 热处理转变所 得 产 物 珠 光体 贝氏体和马 氏体 直接影响冲击 韧性 例如 珠光体片层 间距的减 小使冲击韧 性变 坏 而渗碳体片变薄又有利于改善冲击韧性 前者 是 因强度提高而使 冲击韧性变 坏 后者 则是由于薄的渗碳体片可 以弯曲 形变 而使 断裂成为韧性断裂 从而改善冲击韧性 再 如马 氏体或 贝氏体转变 时 由于所获得的 马 氏体或 贝氏体形态 亚结构的差异 也将 显著 影响钢 的冲击韧性 对于 Cr I 5或 C r l 7型马 氏体不锈钢 通 常情况 下钢的 淬火温度不宜过 高 否则会使 奥氏体晶粒长大倾向加剧 以致d 铁素体 F 量增多 起钢 的冷脆转变温度升 高和 冲击 韧性的 降低 表 3 表 3 钢 F 含量对 力学性能的影响 试 群号 热 址 理 艺 d F 嘧 I o b b i P a I 6 o e 1v i P a l 一 一1 一 t 8 5 5 2 l 竺 一 l 一 1 8 5 9 7 1 J 5 8 5 3 6 一 J 一 一 一 一 L 8 5 4 8 6 5 0 6 8 0 3 0 l 8 0 j 6 6 3 一 一 一1 一 一一 1 8 4 1 1 f K i 5 0 7 4 5 5 9 4 0 啊 呖 1 d I c 2 9 8 f 2 由上可知 热 处理 时应 特别 重视钢 的实 际含 碳量 这 是 因 为 C 对 值影响最 大 当钢中含 C 在标准规定的 上限时 淬 火温度宜选择低一些 以便在保证强度的情 况下 值 能达到要求 而 在 c 偏下 限时 淬 火温 度可适当 选择高一点 以便在保 证 合 格的情况 下 强 度也能达到 要求 另外 实 铸镊 热 热处理 实践1 9 9 3 1 施 良好的 预备热处理 有助 于改善钢的 冲击 韧 性 3 回火温崖是 影响 值的重要因素 选择回火温度不妥 在某些温度区间会 产生 回火脆性 问题 1 淬火钢在 2 0 0 3 5 0 之间 火时出 现的 回火脆性叫第一类1 旦 火脆 性 回火 后冷 一 9一 维普资讯 却速度对这种脆性不发生影响 但如果将这 种 已产生脆性的零件在更高的温度回火 脆 性即将消失 第一类回火脆性降低室温冲击 韧 性和 断裂 韧 性 如 F 一 0 2 8 C 一 0 6 4 M一 4 8 2 Mo钢经 2 2 5 c回火后 K c 为 l 1 7 4 MN m i 而经 3 0 0 回火后 由于出现 了第一 类 回 火脆性 使 KI c 降至 7 3 5 MN 2 淬回钢在 4 5 0 6 5 0 c之间 回火时出 现的回火脆性叫第二类回火脆性 这种脆性 与回火后玲速有关 现代物理冶金试验理论 和手 段都 已证 明 绝大 多数 台金材料 都具有 第二类 回火脆 性 应当引起足够的重视 3 防止和消除脆性阿措施 提 高钢 的 纯净 度 降低钢 中杂质元素 S n S b As B S等 加入能细化奥氏体晶粒的元素如N b v T i 等以细化奥氏体晶粒 增加 晶界面积 降低单位面积杂质元素偏聚量 加入适量盼能抑制回火脆 性的合 金 元素 Mo W 等 稀土元素 L a c c Nb P r的 加入也能降低回火脆性敏感性 因稀土元素 与 P有 很强的亲合力 可 形成稳 惫的磷化物 从而 起到对 P的净化作用 加入 Cr S J以凋整发生 第 一 类 回 火 脆性的 温度范 围 使之避 开所需的 回火温度 对于有 第二类 回火脆 性的 钢 应避 免 在 4 5 0 6 5 0 范围 内回火或采 取快 冷 各种提 高强韧 性的热处理工 艺 如超 高温淬火 临界区淬火 亚温淬火 形变热处 理 等 能 够减轻或抑制 回火脆性 形变热处 理所获得的曲折的锯齿形晶界结构 使晶界 裂纹难 以扩展 故可 以减小回火脆性的倾 向 采用临界区淬火是解决回火脆性最有效舶 办 法 其原因是晶粒和组织的细化 并有效地改 善杂质元素在 原子晶界 上的偏聚程 度 如古 0 0 6 嘶P的 Ni Cr 钢 在 8 5 0 c淬 火后 增加 一 次 7 4 0 c淬火 则在 4 8 0 c 3 0 0 0 h的脆化 时效后 与常规热处理相比 塑一脆转折温度 可降低 2 D 0 一 1 O一 5 试 验条件的影响 即使 同一种金 属材料 因试验条件 加载 方式 不 同 出现的 回火脆 性区问也将有所 1司 1 在高载加载条件 即冲击 蜘性 试验 时 T MB发 生在 3 5 0 5 5 0 回火 温 度 区 问 是 由于马 氏休板条间或岛状 组织的薄膜 状残余奥 氏体 热分解为断续的膜 状 或 点 状的渗碳体造成静 断裂特征为芽 晶的准解 理和 韧窝的混合 型 2 在低速加载条件 即静态 断裂剖 性 或冲击疲劳试验时 T MB发生在 B 0 0 4 0 0 回火 温度 区间 则是 因 形变而 转变 为未 回火的板条间高碳 马氏体 可观察到条 间和 穿条两种 断裂方式 6 其它影响 因素 1 在生产实际中机械构件很少是 因一 次大能量冲击而 损毁 大 多数是在 小能量多 次冲击载荷下工作的 在这种 情况下 应 进行 小能量多次冲击 试验 不能再 以 口 值作为 选 材和技术的依据 2 常温冲击试验一定要确保试验温度 在 l 0 3 5 严格时应控制在 2 3 5 c的范 围内 因室 温的 高低