16mnr钢低温断裂韧性试验研究

16mnr钢低温断裂韧性试验研究

1断裂韧性变化的作用机理众所周知，16kgr钢和其他体心材料随着温度的下降而发生耐腐蚀性变化，并因灾难而发生灾难。在施工中，基于材料的冲击坚韧度随温度的降低而做出的抗脆能力曲线特征来评估抗低温脆断的能力，但抗脆性的冲击坚韧度曲线不能用理论来计算，结果往往不正确。文献提到,正确选用材料,就是要从机械部件或装备的使用要求出发,对材料的性能提出合适的评价方法,才能做到合导师:柳曾典教授理、安全使用。由于材料的断裂韧性能准确反映承受静载的材料抵抗裂纹扩展的能力并有丰富的理论基础和计算方法,已在低温球形压力容器的防脆断问题上得到了应用,但温度的变化如何使材料的断裂韧性发生韧脆转变,目前还没有明确的理论解释。Rice和Thomson认为韧脆转变是位错发射与解理断裂的竞争,但没有解释温度的作用。Surek等指出低温塑性形变和韧脆转变与位错热激活有关;祝东的研究表明体心立方金属的形变过程和断裂过程是热激活过程,并首次用Peierls能垒的双峰解释了屈服强度的“拐折”现象,但没有用热激活理论进一步解释断裂韧性的变化规律,李广海等的研究表明,16Mn弹塑性断裂韧性JIc与位错运动激活能和激活体积有关,但也没有解释激活能如何影响JIc。本工作利用热激活理论的Peierls能垒进行分析计算,并与压力容器常用材料16MnR实测的低温断裂韧性JIc的试验数据进行比较,来进一步探讨低温JIc的韧脆转变规律,以便更好地利用断裂力学的方法防止工程材料的低温脆性断裂。2有效应力#by-2e为了研究断裂韧性和温度的关系,首先来探讨位错运动和温度的关系。假定在零应力的条件下,位错形成一个扭折对所需的线能量为2U0,在某一给定温度T,热起伏提供的能量为UT,外力提供的能量为UF,在外力和温度共同作用下,位错线从位置y0移动到yc,从而越过了Peierls能垒,形成扭折对摆脱晶格约束产生运动。根据Dorn-Rajnak的理论模型可导出如下关系式:UF=2U0−UT=2∫+a2−a2Γ2(y)−Γ20−−−−−−−−−−√dy−2∫ycy0Γ2(y)−[τ∗b(y−y0)+Γ(y0)]2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√dy(1)UF=2U0-UΤ=2∫-a2+a2Γ2(y)-Γ02dy-2∫y0ycΓ2(y)-[τ*b(y-y0)+Γ(y0)]2dy(1)上式中a为晶格间距,τ*为有效应力,b为burgers矢量,Γ(y)为位错线上单位长度的能量,即Peierls能垒,它是在位错运动方向y上以滑移面原子列间距a为周期的函数,Γe和Γ0分别是能垒峰顶和峰谷单位长度位错的能量,α是Peierls能垒峰的形状因子。α取不同值时,Peierls能垒有不同的形状。α值在-1～+1之间变化时,Peierls能垒为单峰形状,见图1,α值大于+1时,Peierls能垒呈现出双峰的形状,见图2。由图1、图2可见,有效应力τ*b实际上是Γ(y)曲线在y0点切线的斜率,而yc是切线与Γ(y)另一处的交点。切线与y=yc、Γ(y)=Γ(y0)所围的三角形面积(水平线部份)代表外加有效应力τ*b所做的功UF,切线与上方Γ(y)所围曲边三角形的面积(斜线部份),恰是与有效应力τ*b协同作用而使位错克服位垒的热起伏提供的能量UT。3有效应力型根据Armstrong关系式,在韧脆转变区,可导出有效应力和温度有如下关系:−ln(τ∗/τp)=(β0+β1lnυ˙0υ˙)T=T/Tc(2)-ln(τ*/τp)=(β0+β1lnυ˙0υ˙)Τ=Τ/Τc(2)式中τ*为作用在位错上的有效应力,τp为T=0°K时的有效应力,即材料的P-N(Peierls-Nabarro)应力,表明在无热激活条件下位错运动所需应力,β0、β1是与温度和应变速率无关的常数。υ˙0υ˙0为频率因子,υ˙υ˙为应变速率,对于标准的三点弯曲试验υ˙υ˙也为常数。TC为有效应力τ*=0时的应力,此时阻碍位错运动的短程障碍消逝了。从式2可见-ln(τ*/τp)的变化反映了无量纲温度T/TC的变化。根据图1和图2的物理意义,对式1和式2进行数值计算得到了α分别1、3、9时的UT/2U0与T/TC的关系,分别见图3、图4和图5。4试验结果与讨论(1)由于弹塑性断裂韧性J积分和应变能之间有密切关系,从J积分和裂纹张开位移δ的关系式J=kσsδ(k=1.1～2.0)可知J积分也可看成屈服应力在裂纹张开位移上所做的功。因此,弹塑性断裂韧性JIc和温度的关系与上述外力使位错运动所做的功UF与温度的关系是等同的,即:JIc(T)∝UF(T)(3)JΙc(Τ)∝UF(Τ)(3)(2)由于位错运动产生的裂纹顶端的塑性功耗与弹塑性断裂韧性JIc密切相关,JIc既与屈服强度有关也与裂纹张开位移有关,因此随温度的降低,虽然屈服强度上升,但裂纹张开位移δ迅速下降,从而导致了JIc的韧脆转变。图1中的外力所做的功UF值由于是和温度产生的能量UT共同克服能垒使位错产生运动,因此UF值同样既与作用在位错上的外力有关,同时与外力作用下位错的位移有关,因此UT(T)与JIc(T)具有相同的物理意义。(3)从图1Peierls能垒的物理意义可知,切线Γ(yc)下三角形的面积代表了在某一温度开动位错所需外力做的功UF,它相当于在某一温度材料断裂所需的断裂韧性JIc,而图1和图2中切线Γ(yc)斜率τ*b的变化恰恰反映了温度的变化,见式2。(4)试验测得的16MnR钢低温断裂韧性JIc随温度变化的规律见图6和图7,从试验结果可见,随着温度的降低,弹塑性断裂韧性JIc有明显的双峰现象,在双峰出现后断裂韧性迅速下降。(5)图3～5的计算结果表明,当Peierls能垒峰形状因子α=9时UT/2U0与T/TC的关系曲线出现明显的双峰现象(图5),与断裂韧性JIc试验结果有相同的规律,因此韧脆转变区断裂韧性的双峰是由于Peierls能垒双峰作用的结果。(6)从理论计算和试验数据的比较可见,随着温度的降低,JIc的变化出现了双峰的变化,当第二个峰值出现之后,断裂韧性JIc值才会迅速下降,出现韧脆转变,对16MnR钢板,当温度小于-40℃时,断裂韧性JIc才出现韧脆转变。5断裂韧性的特征(1)在断裂韧性JIc的韧脆转变区,Peierls能垒形状因子α=9时计算出的UF/2U0和T/TC的关系与试验测得的16MnR钢断裂韧性JIc和温度的关系有相同的规律,都具有双峰的特征以及韧脆转变的特性。(2)在断裂韧性