冲击载荷下试样的试验研究

冲击载荷下试样的试验研究

1试验结果的测量目前，确定薄材料的耐、耐、脆是一种通用的辅助方法，用于确定样品的大小。由于试样处于韧-脆混合断裂状态时,10mm×10mm×55mm标准试样和7.5mm×10mm×55mm及5mm×10mm×55mm辅助小尺寸试样的宽度变化与冲击功并非呈线性关系。将辅助小尺寸试样的试验结果按比例换算为标准试样的试验结果来确定薄型材料的韧-脆性,是材料力学性能测试方法研究的问题之一。笔者采用示波冲击技术,对同一种材料在三种不同试样宽度下,试验温度与韧-脆性转变过程的关系进行了研究。2不同冲击性能试样的试验过程选用的材料和试样编号列于表1。每种材料分别加工成10mm×10mm×55mm,7.5mm×10mm×55mm和5mm×10mm×55mm的U型和V型缺口的冲击试样。在90～-80℃试验温度范围内对三种宽度的试样分别进行了相同温度和不同温度的冲击试验。每种试样的每个温度测试点不少于6个试样。试验选用RPSW-150/300型示波冲击试验机,试验过程中记录了载荷-挠度曲线(P-δ图),通过计算机处理获得三种宽度试样的裂纹形成功(Ei)和裂纹扩展功(EP),并进行对比分析。3试验结果及分析3.1试样宽度对脆性转变温度的影响对四种材料(1～4号)三种宽度的试样进行一系列不同温度的冲击试验,3号材料的试验结果见图1。由图1看出,随着试样宽度的减小,无论U型缺口或V型缺口试样的脆性转变温度都向低温方向移动。这一现象表明,三种宽度试样的脆性趋势是不相同的,宽度越小,则脆性趋势越弱。由图2可知,试样宽度与脆性转变温度(ETT50)具有良好的线性关系。3.2试样宽度对ak性能的影响冲击功随试验温度的变化曲线可分为三个断裂过程(见图3)。上述四种材料三种宽度试样在同一温度下进行的冲击试验结果见图4。可知,当试样为完全韧性断裂或完全脆性断裂时,试样冲击功处于相对稳定的上平台能或下平台能的范围,试样宽度对aK影响不大,但与冲击功AK呈线性关系。当试样为韧-脆混合断裂时,由图5可知,aK随试样宽度的增加而降低,其变化程度随钢种而异;AK随试样宽度的变化则呈现无规律性。四种材料三种宽度试样的断口形貌也不相同,如图6所示(以3号材料为例)。因此,在同一温度下进行冲击试验,标准试样比辅助小尺寸试样发生脆性断裂的趋势更大,增加试样宽度所起的作用与降低试验温度的作用是相同的。3.3辅助小尺寸试样与标准试样试验温度的关系根据图1中试样宽度减小其脆性转变温度向低温方向移动的范围来确定两种辅助小尺寸试样各自的试验温度。在韧-脆混合断裂区,对试验材料的三种宽度试样采用三种试验温度的方法进行了冲击试验。将其中四种材料的试验结果列于表2。由表2可知,采用三种试验温度后,试样宽度与冲击功基本呈线性关系,并由表2得到辅助小尺寸试样与标准试样的试验温度的关系:V型缺口T7.5=T10−10T5=T10−20U型缺口T7.5=T10−20T5=T10−40V型缺口Τ7.5=Τ10-10Τ5=Τ10-20U型缺口Τ7.5=Τ10-20Τ5=Τ10-40式中,T10,T7.5和T5分别表示试样宽度为10mm,7.5mm和5mm时的试验温度。由表2还可看出,三种宽度试样的AK呈下列比例关系:AK10∶AK7.5∶AK5=1∶3/4∶1/2AΚ10∶AΚ7.5∶AΚ5=1∶3/4∶1/2式中,AK10,AK7.5和AK5分别表示试样宽度为10mm,7.5mm和5mm时的冲击功。因此,根据辅助小尺寸试样与标准试样试验温度的关系来调整试验温度,用降低温度的方法来改变由于试样宽度减小所产生的影响,就可以使三种宽度试样的AK与试样宽度呈线性关系。这样用辅助小尺寸试样测得的AK经过换算便可变为标准试样的AK。3.4试验温度、宽度与裂纹扩展功的关系对记录的示波曲线进行分析(以1号材料V型缺口试样为例,见表3),可以看出,韧-脆混合断裂区内,当试样尺寸相同时,EP随着温度的降低而减少,Ei基本保持不变。这时冲击功AK的降低主要受EP减少的影响。当试验温度相同时,试样宽度与Ei呈线性关系,但EP与试样宽度不呈线性关系。随着试样宽度的减小,试样单位变形体上所吸收的裂纹扩展功(EP)反而增加。这就是辅助小尺寸试样与标准试样的AK不能直接比较和换算的根本原因。通过调整试验温度后,EP与试样宽度呈线性关系(见表4)。文献的研究表明,缺口半径对裂纹扩展功几乎没有影响,裂纹扩展功由试验温度及材质因素决定。因此,仅凭AK的大小来评价材料的韧脆情况是不准确的,只有裂纹扩展功才能较真实地反映材料抵抗裂纹扩展的能力。4冲击试验的材料和方法(1)试样宽度减小,脆性转变温度向低温方向移动,试样宽度与脆性转变温度呈线性关系。(2)在韧-脆混合断裂区,辅助小尺寸试样与标准试样的AK不能相互换算的根本原因是裂纹扩展功EP随试样宽度的变化不呈线性关系。(3)使用辅助小尺寸试样进行冲击试验,按照试验温度关系式:V型缺口T7.