材料韧性的一些基础知识

2010年第 2期 农机使用与维修 49 材料韧性的一些基础知识 哈 尔 滨 哈 轻 塑 胶 有 限 公 司 徐志明 西南交通大学材料科学与工程学院 刘 刚 摘 要 韧性是材料的重要力学性能, 是判断材料性能好坏的重要依据。韧性影响到机器零件的服役性能。零件 韧性达不到设计要求, 往往会造成灾难性的后果。韧性及冲击韧性在材料力学性能中占有重要的地位。该文根据 材料力学性能的特点, 并结合在实际中的一些体会, 对材料的韧性及冲击韧性的相关知识作一阐述。 关键词 冲击韧性 冲击吸收功 冷脆转变 冲击没有精确而无争议的定义, 一般认为, 快速 加载具有冲击的特征。面对千差万别的工况条件, 人们企图用韧性这个指标来表示材料或构件在意外 状况下的承载能力和突然变载情况下的行为表现。 故普遍认为, 韧性是指材料在快速载荷作用下抵抗 断裂和抵抗其内部裂纹扩展的能力。韧性作为材料 的使用性能, 在很多重要的场合是绝对不可或缺的, 从材料科学的综合知识的角度, 可把韧性分为工程 韧性和试验韧性两种。工程韧性是指具体构件在承 受冲击 (这里冲击包括载荷在较短的时间内显著的 变动、 载荷在构件上短时间内不均匀的作用情况 )载 荷时所表现出来的行为或特征。而试验韧性是用一 系列的标准试样或试验方法测定的韧性数据 (又包 括静力韧性、 一次冲击韧性、 多次冲击韧性、 动态撕 裂韧性、 断裂韧性等 )。 韧性是材料特别重要的性能指标。冲击韧性是 指材料在冲击载荷作用下, 吸收塑性变形功和断裂 功的能力, 常用标准试样的冲击吸收功 AK表示。通 常表示的韧性有两种特别的含义: 一种是用标准试 样按标准试验方法测定得到的试样在冲击断裂前 (准确地讲应该是冲击断裂过程中 )吸收的断裂功。 根据试样缺口的形状分别叫做 AKV或者 AKU。 另一种广泛使用的材料韧性数据是用断裂韧性 方法测定的断裂韧性, 该理论建立在 Grriffith脆性材 料理论基础上。首先假定材料中含有缺陷) ) 裂 纹, 根据实际工件中裂纹发展的情况, 把裂纹分为张 开型、 滑开型和撕裂型三种, 相应地叫做 型、 型、 型。并分别规定了不同的试验条件, 人为地在试 样上加工微裂纹, 然后施加一定的载荷, 确定试样中 裂纹扩展的有关参数。在试样加工过程中使试样承 受的应力状态达到平面应变状态, 确定对应的裂纹 扩展抗力。 ( 1)张开型 ( 型 )裂纹扩展拉应力垂直作用于 裂纹面, 裂纹沿作用力方向张开, 沿裂纹面扩展。 ( 2)滑开型 ( 型 )裂纹扩展切应力平行作用于 裂纹面, 并且与裂纹前沿线垂直, 裂纹沿裂纹面平行 滑开扩展。 ( 3)撕裂型 ( 型 )裂纹扩展切应力平行作用于 裂纹面, 并且与裂纹线平行扩展。 除面心立方金属外, 体心立方及密排六方金属 及合金, 随温度下降可能发生有韧性向脆性转变, 其 标志是在一定的温度下冲击值或断面收缩率急剧下 降, 这种现象叫冷脆。大体上面心立方过渡金属拉 伸时变脆的温度约在 0 . 1Tm以下 (Tm= 熔点 K), 金 属间化合物大约在 0 . 5Tm以下。大多数金属化合物 变脆温度大约正是它们屈服强度急剧升高的温度。 由于材料的冷脆是一种低能量断裂, 大多为解 理断裂, 有时为准解理断裂或者沿晶断裂。冷脆断 裂的最大特征是断裂功极低, 事发突然, 后果为灾难 性的。 冷脆事故有: 桥梁折断、 大型储油罐爆裂、 海上 采油平台翻折、 焊接万吨级巨轮断为两截等不计其 数。 1 冷脆的本质 1 . 1 冷脆的力学本质 冷脆实际是发生在温度低于 Tk时, Rf Rs, 此时 材料没有发生塑性切变而发生正向分离。它实际上 是塑性切变强度高于正断强度, 材料在塑性切变之 前就发生了正断。从力学角度来看, 是否发生脆断 就是看塑断强度和正断强度谁大谁小的问题。值得 指出的是正断强度和塑断强度两者中的塑断强度在 塑性变形过程中是不断变化的, 产生变化的原因有 形变强化, 也有应力强化。形变强化总是在塑变时 增加, 而应力强化则不尽相同, 有平面应力变为平面 50 农机使用与维修 2010年第 2期 应变时有效屈服强度增加, 而有平面应变变为平面 应力时, 有效屈服强度降低。由于这种可降可升的 原因, 有时使冷脆断裂时起时停, 这种现象不止发生 在宏观, 有时微观也是如此。塑变强度的改变在冷 脆断裂过程中有时控制着冷脆断裂的起与止。 1 . 2 冷脆的物理本质 无论是微孔断裂还是冷脆解理断裂, 都有个微 裂纹生成的过程。微裂纹的生成都与障碍物前的位 错塞积群有关。常见的障碍物有晶界、 孪晶界、 夹杂 物、 第二相等。通过研究发现, 冷脆的物理实质是温 度降低时, 屈服强度提高造成的。冷脆问题是由温 度对屈服强度影响造成的, 更进一步研究得知, 冷脆 是温度对屈服强度中的 Ri造成影响而引发的, 即 派 ) 纳力引发冷脆。由 H all- Petch公式: R= Ri+ Ksd 1/2 (1) 上式右边的 d为晶粒尺寸, d不会因温度发生剧 变。由实验证实, Rs与 - d 1/2之间呈线性关系, 在温 度降低时, H all- Petch公式中的 Ks不变, 而 Ri在变 化。由公式: R= Ri , + Ri , , (2) 可知: Ri , 与温度无关, Ri , , 与温度有关。 Ri , , 与 温度的关系是: 温度由室温降到 - 193e 时, Ri , , 增加 12倍。Ri , , 由两部分构成, 一方面是由于位错被钉 扎, 这种钉扎是温度敏感的。温度降低时, 温度对位 错运动的阻力作用失去。另一方面是派) 纳力温度 敏感, 温度降低这种阻力升高。Retch认为, Ri , , 主要 是派) 纳力, 位错钉扎在 Ks。 2 冷脆的评定方法 2 . 1 能量准则法 以 AK值 (或 ak)降至某一特定数值时的温度作 为 Tk。按这种方法确定 Tk, 一般要作低温下的系列 冲击试验, 测定冲击功随温度的变化曲线。也有取 0 . 4ak最大所对应的温度记为 ETT40 , 0 . 5ak对应温度 国标中记为 ETT50 。 2 . 2 断口形貌准则法 按特定断口相融貌 (纤维区与结晶状区相对面 积 )对应的温度确定 Tk。按断口形貌评定冷脆温度, 在近几年来得到了广泛的应用, 因为它反应了裂纹 扩展变化特征, 而且可以定性地评定材料在裂纹扩 展过程中吸收能量的能力。实验发现 50 % FATT与 KIC开始急速增加的温度有较好的对应关系。该方 法的不足之处是评定各区所占的比例, 要受人为的 因素影响, 通常测量断口面积, 它在断裂过程中面积 收缩较小。 2 . 3 落锤试验法 落锤试验法是目前应用较多的一种测试材料动 态性能的方法, 尤其是对于一些厚钢板构件, 采用标 准的缺口冲击试样, 其应力与应变均与实际服役条 件不同, 需要采用更厚、 更宽的试样, 这时冲断试样 的冲击功也需要加大, 摆锤冲击试验机不能满足要 求, 故需要采用落锤试验法。落锤试验国家标准为: GB6803- 86 。 2 . 4 撕裂试验法 撕裂试验法有 GB5482- 93金属材料动态撕裂 试验方法。GB8363- 87铁素体钢落锤撕裂试验法。 这两个试验方法参见具体的国家标准。 3 影响冷脆转变温度的因素 3 . 1 材料方面的因素 3 . 1 . 1 金属的晶体结构的影响 材料的晶体结构越复杂, 对称性越差, 位错运动 的派) 纳力就越高, 位错滑移就越困难。尤其是它 们的派 ) 纳力随温度降低而显著增加, 对屈服强度 影响更大, 故此类材料的冷脆倾向更明显。体心立 方、 密排六方金属有解理断裂和缩孔断裂两种形式, 故有冷脆。面心立方金属及其合金, 如铜、 铝和奥氏 体不锈钢的派) 纳力很小, 对位错运动基本上没影 响, 这些金属在很低温度下也不会发生解理断裂, 故 没有明显冷脆转变。但近年来也发现了某些面心立 方金属存在冷脆。 3 . 1 . 2 金属的强度等级的影响 金属的强度等级越低, 冷脆转变温度越明显。 中、 低强度钢冷脆转变较明显, 而高强度的 4340钢 却没有明显的冷脆转变温度。中、 低和高强度钢它 们的上阶能依次降低, 这是由于处于上阶能温区, 发 生的都为韧性微孔断裂。断裂功主要为缺口顶端塑 性区扫过韧带所吸收能量塑性区尺寸与 Rs 2 成反 比。所以低、 中、 高强度钢在低温时都发生解理或解 理断裂, 断裂功差异不是很大。高强度钢高阶能太 低, 显得冷脆倾向不明显。 3 . 1 . 3 合金元素及杂质的影响 具有明显冷脆的 A- Fe , 若提高其纯度, 在液氢 温度 ( 4 . 2K)时, 仍旧有很高的塑性, 这就说明了冷 脆是由杂质因素的影响造成的。杂质大幅度降低解 理断裂强度, 使解理断裂强度曲线与屈服强度曲线 之间交叉。又如纯金属铬没有冷脆倾向, 而含有 012 % N的 Cr冷脆转变温度推到室温。 由于杂质的存在, 使钢有冷脆倾向。置换型合 金元素, 间隙型的合金元素均使钢的屈服强度升高, 2010年第 2期 农机使用与维修 51 使 Rf与 Rs曲线交点移向高温, 冷脆转变温度升高。 由于面心立方金属晶体的八面体空隙半径 r 八= 0 . 414r原子, 而体心立方金属晶体的八面体空隙半径 r八= 0 . 15r原子。使面心立方金属包容杂质和间隙型 合金元素能力较大, 对正向断裂强度影响不大, 故面 心立方金属一般情况下显现不出冷脆倾向性, 而体 心立方金属则不然。 一些具有扩大 C相区的元素, 即使奥氏体稳定 的元素, 如 Mn 、 Ni 、 Co 、 Cu等元素, 它们使 A3点 ( C- Fee A- Fe的转变点 )下降, A4( D- Fee C- Fe的转 变点 )上升, 当锰加入到一定量后, 可使 A3点降到室 温以下, 使 A相区完全消失, 从而降低奥氏体分解温 度, 细化了铁素体晶粒, 并使珠光体片变细, 消除了 晶界上的粗大片状碳化物, 提高了钢的强度和韧性。 加入少量的强碳化形成元素铌、 钛或钒, 可在钢中形 成稳定的合金碳化物或碳氮化合物, 阻碍钢热轧是 奥氏体晶粒的长大, 有利于获得细小的铁素体晶粒; 另外, 热轧时部分固溶在奥氏体内, 而冷却时弥散析 出, 可起到一定的析出硬化作用, 从而提高钢的强度 和韧性。 3 . 1 . 4 晶体尺寸的影响 晶体尺寸对冷脆的影响是通过晶体尺寸 d对屈 服强度和解理断裂强度影响的差别, 导致对冷脆转 变温度的影响。解理断裂强度由柯垂尔理论: Rf= ( 4Er/d) 1/2 = Kd 1/2 (3) 而屈服强度由 H all- Petch公式: Rs= Ri+ Ksd 1/2 (4) 两公式中与 d 1/2有关的系数为 K与 K s。K值大 而 Ks值小。当 d下降时, Rf与 Rs均增加, 但 Rf增 加快, 使得冷脆转变温度 Tk移向低温。 从物理角度来看。在室温下晶界强度高于晶内 强度。晶粒尺寸降低, 晶界数量加大。杂质一般偏 于汇集晶界。杂质移到晶界使晶内解理面强度升 高, 杂质对解理面原子键间的隔离作用减小, 使解理 断裂强度升高。而杂质向晶界移去。使杂质对位错 运动阻力减小, 屈服强度降低。这就是晶界的物理 作用。总之, 晶粒细化, 即提高解理断裂强度, 又提 高屈服强度, 这往往可以提高材料的强度, 损坏韧性 和塑性。 3 . 2 影响冷脆转变的外部因素 3 . 2 . 1 形变速度的影响 提高形变速度有类似降温的作用, 即使断裂抗 力 Rf变化不大, 而使 Rs升高较快, 使脆性转变温度 提高。 3 . 2 . 2 试样尺寸及取样部位的影响 试样尺寸增大, 则韧性下降, 断口中纤维区比例 减小, 冷脆转变温度提高。 工程中使用的金属材料, 大多是轧制生产的, 由 于轧制时产生流线组织, 会使扎材产生各向异性, 尤 其是冲击值表现更为明显。所以, 取样部位和方向 不同, 缺口取向不同, 冲击韧性也会不同。 3 . 2 . 3 应力状态及缺口形式的影响 应力状态越硬, 则材料的塑性、 韧性越低, 冷脆 转变温度也越高, 当试样上存在缺口时, 缺口越尖 锐, 应力越集中, 应力状态越硬。冷脆转变温度也越 高。 由于缺口效应使冷脆转变温度提高, 因而可以 用冷脆转化温度的变化来表示缺口敏感性。 3 . 3 处理方式对冷脆转变的影响 3 . 3 . 1 变形及时效 形变强化一般不改变材料的正断强度 Rf, 而形 变强化使 Rs大幅度升高, 这样就使得 Rf与 Rs两曲 线的交点向右移, Tk升高。 应变时效是在形变强化的基础上, 又产生时效 强化, 使 Rs进一步升高。时效又会使 Rf下降, 这样 就使得 Rf与 Rs两曲线的交点会在形变强化的基础 上进一步向右移, Tk进一步升高。 3 . 3 . 2 净化材料 材料清洁化是提高材料品质的重要方法。在材 料的诸多力学性能上, 材料的清洁度登上了舞台, 材 料的冷脆倾向性也不例外。 提高材料的清洁度会使冷脆转变温度降低以致 于使冷脆倾向消失。 3 . 3 . 3 中子照射 随着核技术的广泛应用, 中子照射引起材料机 械性能的多方变化, 冷脆转变温度