仪器化冲击试验中能量特征值的确定

仪器化冲击试验中能量特征值的确定

仪器化冲击试验方法对压力试验的贡献之一是对普通影响试验中测得的影响功能的分解，它不仅意义明确，而且方便地分析和应用材料的脆弱性。新的仪器化冲击试验标准化方法中能量的总称为能量特征值,它包括:冲击总能量,最大力时的能量,不稳定裂纹扩展开始时的能量,不稳定裂纹扩展终止时的能量,裂纹形成能量和裂纹扩展能量,共计有6个能量特征值。这6个特征值为分析冲击过程中能量的变化过程提供了依据,因此它也是人们非常关心和引起重视的问题之一。笔者就如下几个问题进行分析:①能量特征值的测定;②能量特征值之间的关系;③能量特征值的应用。1裂纹扩展能量的测定按照ISO-14556(2000版)“钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验-仪器化试验方法”标准规定,冲击能量特征的确定方法如下(见图1):①最大力时的能量Wm—力-位移曲线下,从S=0到S=Sm的面积;②不稳定裂纹扩展起始能量Wn—力-位移曲线下,从S=0到S=Siu的面积;③不稳定裂纹扩展终止能量Wa—力-位移曲线下,从S=0到S=Sa的面积;④总冲击能量Wt—力-位移曲线下,从S=0到S=St的面积。关于裂纹形成能量及裂纹扩展能量,理论上认为裂纹在最大力时形成。多数研究者指出,当冲击力达到最大力时,裂纹在冲击试验缺口处形成,因此把冲击最大力作为裂纹形成的依据:最大力之前所消耗的能量称为裂纹形成能量;最大力之后所消耗的能量称为裂纹扩展能量,其测定方法是:①裂纹形成能量Wi—力-位移曲线下,从S=0到S=Sm的面积,即Wi≈Wm;②裂纹扩展能量Wp—力-位移曲线下,从S=Sm到S=St的面积,即Wp=Wt-Wi[冲击能量特征值的单位是焦耳(J)]。2析材质的韧脆性上面提到的6个能量特征值需要梳理一下,研究其之间的关系(见图1)。为了便于分析,将力-位移曲线下的面积,以力特征值为界分为5个部分,称为基本能量单元:标准中给出的能量由上述5个部分组成:Wm=We+Wd=Wi(1)Wiu=We+Wd+Wp1=Wi+Wp1(2)Wa=We+Wd+Wp1+Wp3=Wi+Wp1+Wp3(3)Wp=Wp1+Wp2+Wp3(4)Wt=We+Wd+Wp1+Wp2+Wp3=Wi+Wp(5)由此可见,冲击能量特征值中对分析材质的韧脆性有重要作用的有:裂纹形成功Wi、裂纹扩展功Wp和总冲击能量Wt。裂纹形成功Wi反映了裂纹形成的难易和快慢,它取决于材质的原子间结合力和材质的滑移系的多少。尽管冲击速度很快,使塑性变形不均匀,由于某些金属的滑移系、滑移面原子密度和滑移方向原子数目较多时,但塑性变形仍然会产生。塑性变形从一处转移到另一处会使变形增加,同时产生形变硬化,使冲击力增强,因而导致冲击裂纹形成功增加。从安全可靠角度分析,希望裂纹形成功大一些,使形成裂纹之前消耗能量增加,因此增加了构件的安全性。裂纹扩展同裂纹形成一样需要时间。裂纹扩展功Wp反映了具有裂纹的试样在冲击力的作用下裂纹扩展的快慢。扩展越慢,说明材料的韧性越好。冲击韧性的大小,主要取决于裂纹的扩展功,尤其是裂纹稳定扩展功。有裂纹并不可怕,可怕的是它快速扩展,因为它会造成不可弥补的损失。这种由于脆断造成重大损失的例子很多。例如,在二次大战期间,美国的焊接“自由轮”,在使用过程中发生大量的破坏事故,其中有238艘船完全报废,19艘船沉没,均因为钢的缺口敏感性,大部分是由于低温脆性造成的。裂纹扩展功的大小,表征了阻止裂纹扩展的能力,裂纹稳定扩展功大,说明裂纹扩展比较慢,因此,在材料使用中,它可以事先给出一个安全信息,以防不测。因而在分析冲击试验结果时,把裂纹扩展功的大小看得很重要。在一些特殊条件下服役的机件(如炮弹,装甲板)均承受大能量冲击,这时总冲击能量Wt值就是一个很重要的性能指标。对于一些承受大能量冲击的机件,Wt值也可以作为一个结构性能指标使用,以防止发生脆断。3脉冲能量的应用3.1应变应力场和采空点分析众所周知,用冲击功Ak作为一个力学性能指标,用来评定材料的韧性存在许多不足之处,为了解决这个问题许多材料科学工作者想了许多办法。到目前为止,人们用仪器化冲击试验机准确地测出力-时间和力-位移曲线,把冲击功分解成裂纹形成功和裂纹扩展功,才真正的解决了用冲击功判断材料的韧脆性。标准中提及:“通过摆锤一次打断不同钢件或不同温度下测出的力-位移曲线,即使力-位移曲线下的面积或者吸收能量相同,如果力-位移曲线的形状和特征值有所不同,那么试样变形及断裂性质也不同。以此可以推断出关于试样变形和断裂特征。”以图2为例说明这一性质:曲线Ⅰ和曲线Ⅱ下的面积相等,即二者的冲击吸收总能量相同。但二者所表现的冲击性能截然不同。曲线I弹性变形功所占比例大,塑性变形功很小,裂纹扩展功几乎为零,表现出材料断裂前塑性变形小,裂纹一旦形成就会立即断裂。断口将呈现结晶状的脆性断裂;曲线II除弹性变形外,塑性变形功所占比例增加,当达到最大力后裂纹生成并产生缓慢扩展,说明试样断裂前发生较大塑性变形,断口呈现纤维区为主的韧性断裂。由此可见,总冲击能量Wt并不能真正反应材料的韧脆性质,只有其中的塑性变形功,尤其是裂纹扩展功,才能显示出材料的韧脆性。3.2种抗冲击试验结果记忆合金广泛应用在航空航天及医疗等诸方面。北航利用数字化冲击试验机,研究了Ti50Ni47Fe3形状记忆合金相变时的动态特性。在此之前很少有人进行这方面的研究,对该合金的相变温度范围内即:-196℃(马氏体),-55℃(R相),+20℃(奥氏体)三个温度下的三种组织进行冲击试验,结果见表1及图3。从表1及图3中不难看出,尽管最大冲击力提高不十分明显(仅提高18.6%,但冲击功提高明显,奥氏体(A)相冲击功约为R相的3倍,其中裂纹扩展功表现尤为突出,A相约为R相的10倍。奥氏体相与马氏体相相比,不论是冲击力还是冲击功,提高的比较均衡,均约提高2倍。由此可见,该合金相在室温下使用(A相)抗冲击性能可靠性比较好。用这种方法研究记忆合金的记忆功能是一种尝试,其效果明显,为今后研究记忆合金功能提供了一种新的方法。4因裂纹扩展冲击断口所有能量从断口的分析可知:冲击断口的宏观形态由3个要素组成:纤维区、放射区和剪切唇(见图4),下面分析这3个区的形成过程。在文献中提到:裂纹是在冲击力达到最大冲击力时,裂纹在缺口根部出现,同时试样缺口两侧呈现侧面收缩。裂纹通常沿两侧和深度方向扩展,中间部分较深。这就是裂纹开始扩展后形成的脚跟形状的纤维区。在力-位移曲线图上相当于从最大力Fm到Fiu之间所消耗的能量。即Wp1=Wiu-Wm。换句话说,由于裂纹稳定扩展形成的纤维区所消耗的能量为Wp1。此后,裂纹开始失稳扩展。在断口上留下的形态就是放射区。放射区形成消耗的能量很小,即我们称它为撕裂能。它等于Wp3。因为从Fiu下降到Fa是一个很快的过程(标准上称它为急剧陡然下降),从Fiu到Fa不但所用时间短。而且在力-位移曲线上从Fiu到Fa之间变形也很小。因此一般把这一阶段消耗的能量忽略不计。在不稳定裂纹扩展终止力Fa(止裂力)之后,裂纹将再次发生低能量扩展,此时的受力状态发生了变化,由于弯冲的由拉变压的应力变化,压应力状态较软,容易引起塑变,因此在Fa以后又产生纤维区(二次纤维区,视材质和应力状态而定)及剪切唇(最后形成的剪切唇,也称之为铰链)。由此可见,自裂纹开始扩展直至断裂,这一阶段消耗的能量,主要是塑性变形引起裂纹扩展,即裂纹扩展能量(因为形成放射区的撕裂能很小)。所以断口的纤维区大小与裂纹扩展能成比例关系。国标GB/T127791-91“金属夏比冲击断口测定方法”中给出了冲击试样断口晶状断面率及纤维断面率计算公式:CA=(Ac/A0)×100%(6)FA=[(A0-Ac)/A0]×100%(7)式中:Ac——断口中晶状区(放射区)的总面积;A0——原始横截面积;CA——晶状断面率;FA——纤维断面率(纤维断面:包括纤维区,剪切唇及铰链)。在研究冲击断口的纤维断面率(FA)与裂纹扩展功(Wp)的关系过程中,文献给出冲击值ak的一个关系式:ak=ai+B×FF%(8)式中:ak=Ak/Fv=Wt/So;ai=Af/Fv=Wi/So;B——直线斜率;FF%——断口纤维区百分数,即FF%=FA;Ak——冲击功(Ak=Wt);So——新标准中试样缺口处原始截面积(So=Fo);Wi——新标准中裂纹形成功(Wi=Af)。把上式写成:Wt/So=Wi/So*B×FF%(9)Wt=Wi+BSo×FF%Wt-Wi=BSo×FF%Wp=BSo×FF%=C×FF%(10)式中:C=SoB。从式(10)可以看出,裂纹扩展功Wp与断口纤维断面率之间呈直线关系。5熟料的冲击功推行具有体心立方和密排六方的金属及其合金,特别是工程上常用的结构钢均会产生冷脆现象。即当试验温度低于某一温度Tk时,材料将从韧性变为脆性状态,其冲击功明显下降。温度Tk称为韧脆转变温度。系列温度冲击试验是评定材料低温脆断的常用方法,这种方法比较简单,使用的历史较长,积累了许多经验,常用以下2种方法:(1)能量法将Ak(Wt)值降到某一特定数值时的温度定义为Tk。①取1/2Ak冲击值对应的温度或取1/2(Akmax-Akmin)冲击值所对应的温度;②取工程上规定夏比冲击功Ak所对应的温度。例如船用低碳钢板,取V型缺口试验的20J(即15ft-f6);U型缺口300M钢取49J等。这种方法的问题是:Ak值的大小由使用者决定,多数是靠经验数据而定。(2)断口形貌准测法以断口形貌转变温度FATT,通常取冲击断口上出现50%纤维断面率时的温度FATT50为冷脆转变温度。冷脆转变温度的确定方法很多,共同的特点是物理意义不明确。例如FATT,它主要反映冲击断裂时裂纹扩展过程中断口形貌在韧脆程度上的差别。而缺口试样冲击功Ak,即包括裂纹形成功,又包括裂纹扩展功。冲击功对缺口尖锐程度敏感,而FATT对缺口尖锐度不敏感;FATT虽然能反映裂纹扩展过程中断口韧脆上的差别,但不能对裂纹抗力以定量的评估。当FATT温度相同时,不同材料的裂纹扩展功可能相差很大,而且FATT的测量准确性与测量人员的经验关系很大。为了克服上述2种方法的不足,采用仪器化冲击实验测出的裂纹形成功或扩展功作为冷脆转变的判据。它能定量、准确的和具有明确物理意义的确定冷脆转变温度。以300M钢为例进行了探索。根据上面分析,笔者把300M钢不同试验温度测出的冲击功Ak分解成裂纹形成功Ei和裂纹扩展功Ep,并按照常规方法把Ak换算成ak,测出的数据列于表2。并根据这些数据绘出300M钢的能量温度曲线(见图5)。在研究钢材韧脆转变的标准中,能量法应用普遍。为进行比较,笔者采用如下几种方法确定300M钢的韧脆温度:①取1/2akmax冲击韧性值对应的温度为韧脆转变温度,用T′k表示;②采用300M钢技术条件规定值(49J/cm2)为标准,其对应的温度用T″k表示;③裂纹形成功Ei,随试验温度降低在某一温度范围急剧下降,其取Ei-T0c曲线转折点所对应的温度为韧脆转变温度,用T0k表示;④裂纹扩展功Ep,在韧脆转变温度(用Tk表示)以下时变化较小,在Tk以上时显著增加,其转折点所对应的温度,即为韧脆转变温度。用以上4种判据确定的300M钢韧脆转变温度列入表3。从表3可见,用裂纹形成功Ei及裂纹扩展功Ep作为判据确定的T0k和Tk与以300M钢技术条件规定值为判据定出的韧脆转变温度T″k基本吻合;以1/2akmax作为判据确定的转变温度T′k比上述3种方法测出的温度低30℃左右。众所周知,用钢材技术条件规定值作为判据,它是根据材料使用条件提出的,它反映不出材料的韧脆转变本质。利用1/2akmax作为韧脆转变判据,由于ak值本身物理意义不明确,同样也不能反映材料的韧脆转变本质。相反裂纹扩展功及裂纹形成功代表材料的韧脆性,有明确的物理意义。Ei主要消耗在被冲击试样弹性变形、塑性变形及裂纹形成中;Ep主要用于裂纹前沿微观塑性变形及裂纹扩展。显然,用裂纹扩展功来描述材料的韧脆转变更合适。因为它的大小表示裂纹出现后扩展速度的快慢,代表材料韧性的好坏。笔者曾用上述方法对多种材料进行过研究,结果证明用Ep或Ei作为韧脆转变的判据是可行的。300M钢韧脆