c-mn钢冷弯断裂的断裂原因分析

c-mn钢冷弯断裂的断裂原因分析

1韧脆转变温度区在过去的20年中，基于布尔重力的统计模型是研究钢断裂的主要方向。但近几年发现它不能准确解释,在韧脆转变低温区随温度上升屈服应力平缓下降而引起韧性的陡升(文献),从而不能正确模拟和预测过渡区韧性的变化。Chen认为在韧脆转变温度区解理断裂韧度与解理起裂早晚有关。Xia和Shih用特殊单元模型预测由塑性损伤形成的延性裂纹扩展对脆性断裂的影响。上述说明在韧脆转变区断裂韧度与延性裂纹扩展密切相关。2测试方法2.1材料的拉伸和热处理所用材料为一种18mm厚C-Mn钢板,其化学成分如表1所示。试样毛坯经1100℃(保温2h,炉冷)+900℃淬火(保温3h,水冷)+685℃回火(保温8h,炉冷)热处理规范处理,得到铁素体+弥撒分布的碳化物组织,如图1所示。将热处理后的毛坯制成拉伸试样和三点弯曲试样。拉伸试样直径为8mm,标距为50mm;三点弯曲试样尺寸为长80mm、宽14.4mm、厚12mm,预制裂纹长度为7.2mm。2.2预裂纹预压机温度选择用三点弯曲COD(crack-tipopeningdisplacement)预裂纹试样,在SHIMADZUAG-10T万能拉力试验机上进行不同温度的COD试验。试验温度分别为-30℃、-60℃、-70℃、-80℃、-90℃、-110℃、-130℃。用所制取的拉伸试样进行拉伸试验,由测得的屈服强度计算COD值。2.3断口观察和断口分析采用JSM-6700F场发射扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy,SEM)对所有三点弯曲试样的断口进行仔细观察。沿着解理河流条纹寻找起裂源,测量起裂源正上方一定范围内的塑性扩展区,分为延伸区宽度SZW(stretchzonewidth)和塑性裂纹稳定扩展长度SCL(stablecracklength)。由于SZW和SCL不均匀,用如图2所示在断口图上画平行线来取其平均值。不同温度下的断口图和测量值分别如图3和表2所示。3韧脆转变低温区自适应识别法在过渡区受载COD试样首先产生塑性裂纹,由于塑性裂纹本身的扩展能量不依存于温度,所以不同低温下的韧性主要决定于塑性裂纹的长度。塑性裂纹分为两部分,延伸区(SZW)和稳定塑性裂纹扩展区(SCL)。测量断口塑性裂纹的长度(SZW和SCL),分析其与断裂韧度的关系。图4为COD表示的韧脆转变曲线,分为下平台温度区(≤-130℃),韧脆转变温度区(-130℃～-30℃)和上平台温度区(≥-30℃)。韧脆转变温度区以SCL的产生与否(图4)分为韧脆转变低温区(-110℃～-70℃)和过渡温度区(-70℃～-30℃)。在下平台温度区塑性裂纹几乎为零,韧脆转变低温区SZW随温度升高而增大,温度高于-70℃SZW保持不变(表2),但稳定扩展塑性裂纹开始扩展。一般来说,塑性裂纹扩展是由塑性裂纹在第二项粒子诱发空穴成核、长大、聚合不断产生而形成。韧脆转变低温区的SZW如图3所示为平滑涟漪状平面,未在涟漪底部发现第二相或夹杂。可见SZW是在剪应力作用下滑移系开动、滑移、滑移台阶钝化不断向前推移而形成。在韧脆转变低温区加载,解理失稳扩展前疲劳裂纹尖端不断经历着滑移系开动、滑移、滑移台阶钝化,使延性开裂不断向前推移,直到SZW达一定长度后满足解理条件而失稳断裂。在延性扩展过程中吸收大量能量,从而韧性陡升。且断裂载荷随温度升高随之增加,但断裂载载荷小于最大载荷。在这一温度范围能量主要消耗在裂纹尖端的延性裂纹扩展,因此,断裂韧度由SZW的扩展阻力和脆性解理发生的迟早决定。在韧脆转变低温区(-130℃～-70℃)SZW与温度有关,随温度升高而增大,变化趋势与COD随温度变化一致(图4、图5)。当温度高于-70℃时SZW几乎保持500m不变,开始产生稳定塑性裂纹(LSCL≠0)。LSZW≈500μm为一临界值。相对SZW而言,SCL吸收能量更大,如图6所示。在韧脆转变温度区加载过程中应力应变的分布及SZW为何会有一临界值(LSZW≈500μm)、其对塑性裂纹在第二相形核以及引发解理的影响尚待进一步研究。另外,对这一特征区的能量消耗的定量度量也少有计算和模拟。在韧脆转变低温区,疲劳裂纹尖端的屈服区及塑性裂纹的延性扩展吸收较大能量。延性扩展主要为SZW,故断裂韧度可用SZW度量。图6所示,COD值与SZW呈线性关系。设SZW为LSZW,COD值可表示为δ=αLSZW,α为材料组织相关系数。下平台温度区,受载试样整体屈服前,材料的屈服应力σy几乎保持不变。正应力在疲劳裂纹尖端局部弹性—塑性区达到局部解理应力σF*,遇到合适的解理粒子引发解理,如图3a所示。Chen等370-373基于三个断裂准则的解理物理模型,能很好地阐述其断裂过程。在韧脆转变低温区,受载试件整体屈服后,随温度升高屈服应力稍稍下降。疲劳裂纹尖端塑性屈服区增大,需增大正应力才能使解理在屈服区前沿引发。但为何屈服应力稍稍下降就使韧性陡升,尚不清楚。最近Chen373-374提出少量的屈服应力的下降必须由较大的应变形成的加工硬化来补偿,相应韧性上升较快,但有待证实。