基于示波试验法的500nvire钢动态断裂行为研究

基于示波试验法的500nvire钢动态断裂行为研究

落叶松破裂试验是1960年美国的一种改进的试验方法。为了适应管道的传输，样品的破口部分切面的数量sa（%）根据样品的断裂率确定管道的t变热温度。这是落锤断裂试验的由来。落锤撕裂试验主要应用于测定管道用钢的裂纹扩展转变温度,在管道的防断安全设计中,转变温度是防止管道脆性断裂的重要指标,多数管道标准已将落锤撕裂试验列为管道用钢的检验项目,并将转变温度作为交货条件之一。可见,落锤撕裂试验有着十分重要的实用价值。落锤撕裂试验具有很多独特的优点:首先,根据试样断口确定的转变温度与筒形压力容器断裂扩展的转变温度在同一范围内;其次,在该范围内,试样断口的表观与压力容器破坏时一样,均呈现从剪切到解理的急剧转变;第三,试验结果具有试样厚度效应,并与全尺寸容器断裂扩展的厚度效应表现一致。鉴于这些特点,该方法已逐步向其它行业推广,如海军造船用钢和其它工程用钢等。由于落锤撕裂试验具有较大的试样尺寸,断裂路径较长,因此,同样材料不同韧脆状态下试样撕裂功变化规律的差异明显。在传统的落锤试验机上,只能根据试样的剪切面积百分数测定试样的转变温度,但对落锤撕裂试样的整个断裂过程,包括裂纹萌生、扩展及载荷、位移等均无法进行分析和判断。有关落锤撕裂试样的断裂过程的研究文献很少,因此,需要对断裂试样的整个过程进行分析,以便对材料的韧性水平作出合理的评价。1u3000试验试验材料选取板厚为5mm、10mm的连铸14MnVTiRe钢板,5mm板交货状态为热连轧,10mm板为正火热处理。试验以5mm薄板为主要对象,用10mm板做验证试验。对比材料为6mm和8mm厚的连铸10CrSiNiCu钢板。试验在美国生产的Dynatup8120试验机上进行,该试验机最大冲击能量为5306J,最大冲击速度为6.9m/s。按照GB8363的要求,试样尺寸为tmm×75mm×300mm,在试样的中央单边压制出5mm的45℃尖锐缺口,以便从缺口引发裂纹。在试验过程中,采用试验软件分析示波冲击载荷-位移、能量-位移曲线,并按GB8363测定试样在不同的试验温度下的剪切面积百分数SA(%),对比其韧脆性。2材料的扩展特性Dynatup8120型落锤冲击试验机能够提供试样断裂过程的载荷、能量、变形及时间等瞬态变化的信息,因而提供了对材料动态断裂过程进行详细研究的可能性。示波落锤撕裂试验的变化曲线与示波冲击试验的变化曲线十分相似。对于落锤撕裂试验,在载荷-位移曲线的开始阶段,试样缺口的根部首先开始弹性变形,冲击载荷随位移的增加而呈线性增加,载荷增加到一定程度后不再增加或载荷突然减小,此时试样缺口的根部发生塑性变形,随着形变硬化的产生,载荷再次增大达到最大值,随后由于裂纹的扩展,载荷逐渐下降。但由于落锤撕裂试样具有较长的断裂路径,裂纹扩展阶段可能与冲击试样有所不同。图1为落锤撕裂试验的载荷-位移曲线。与示波冲击曲线相似,最大载荷对应的能量值Ak1表示了落锤撕裂试样缺口根部的弹性变形功和塑性变形功,此时裂纹已在缺口的根部形成,因此,Ak1表示试样的裂纹萌生所消耗的能量,它主要与落锤撕裂试样的应力集中情况(如缺口尖锐度)和试样表面状态有关。裂纹扩展功Ak23包括裂纹稳定扩展功Ak2和裂纹失稳扩展功Ak3。裂纹稳定扩展功,主要反映了裂纹稳定扩展和失稳裂纹萌生的难易程度,而裂纹失稳扩展功Ak3则反映了试样最后失稳断裂过程中的能量消耗。一般来说,Ak3较小,可用Ak23近似地代替Ak2。裂纹扩展功Ak23能够很好地反映材料的韧脆变化倾向。5mm厚14MnVTiRe钢试样断裂曲线如图2所示,可见,与冲击曲线的不同之处在于,所有试样在达到最大载荷而形成裂纹后都有一个载荷的突然降低阶段,这是因为落锤撕裂试样的缺口采用了压制缺口,在压制缺口的过程中,造成了缺口部位的形变硬化,因此,当形成裂纹后,裂纹在形变硬化区快速传播,造成载荷的突然降低。对于韧性断裂,当裂纹超出形变硬化区后,由于试样材料本身具有良好的韧性,当裂纹通过形变硬化造成的脆性区后,载荷随着位移的增加缓慢降低,最后达到断裂;而对于脆性断裂,当裂纹超出形变硬化区后,由于试样本身也具有脆性特征,因此,形变硬化区和落锤试样撕裂区成为一个脆性的整体,载荷将一直陡降到试样断裂为止。对于中间过渡区断裂,则随着温度的降低,试样脆性越来越大,造成载荷陡降区越来越大,缓慢降低区越来越小,最后达到完全脆断。表1为落锤撕裂试验结果,从表1的试验结果来看,随温度的降低,落锤撕裂试样承受的最大载荷变化不大,稍有降低,裂纹萌生功随温度的降低逐渐减小,而裂纹扩展功在韧脆转变区会产生急剧的降低,这不同于冲击试样的断裂过程,因为落锤撕裂试样有较大的撕裂路径。对5mm厚的连铸14MnVTiRe钢板来说,当Ak23≫Ak1时,该试样具有韧性断裂特征;当Ak23<Ak1时,试样具有脆性断裂特征;当Ak23与Ak1基本相当时,试样处于中间韧脆转变区。在+5℃～-5℃之间,裂纹扩展功从587J急剧下降到39J。因此可以判断,该材料的转变温度(TFATT)基本处于+5℃～-5℃之间。实际试样的剪切面积百分数测定结果显示转变温度为-4℃,与以上分析的结果吻合。6mm和8mm的连铸10CrSiNiCu钢的落锤撕裂试验结果见表2。表2结果表明,6mm和8mm厚连铸10CrSiNiCu钢板落锤试验也有类似的结果,当裂纹扩展功出现急剧降低时,表明试样从韧性阶段向脆性阶段转变。6mm板转变温度应在-70℃～-80℃之间,实际断口测量结果为-73℃。8mm板转变温度应在-90℃～-100℃之间,实际断口测量结果为-89℃。与实际测量结果很吻合。这表明,落锤撕裂试样的断裂数据与测量的剪切面积百分数计算的结果有较好的对应关系,采用断裂曲线、数据来判断落锤试样的韧脆转变温度是可行的,而且操作十分快捷、方便。相对连铸14MnVTiRe钢5mm板,在相同试验温度下,6mm和8mm的连铸10CrSiNiCu钢的落锤撕裂试样有较大的裂纹扩展功,随温度的降低,扩展功逐渐降低,但即使在脆性阶段,后者的裂纹扩展功也大于或等于裂纹萌生功。这表明10CrSiNiCu钢的韧性优于14MnVTiRe钢的,而这种韧性的差异主要反映在转变温度上。当14MnVTiRe钢的板厚增加到10mm时,韧性断裂的裂纹扩展功为3326J,裂纹萌生功为582J,均随试样厚度的增加而升高(见表1)。3材料的选择和断裂(1)落锤撕裂试样的断裂过程可以分为3个阶段:裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹失稳扩展阶段。裂纹稳定扩展功是试样缺口根部裂纹萌生后进行扩展所消耗的能量,是评价材料韧性高低的依据之一。(2)5mm厚的连铸14MnVTiRe钢板,当裂纹萌生功远小于裂纹扩展功时,以韧性断裂为主;当裂纹萌生功大于裂纹扩展功时,以脆性断裂为主;当裂纹萌生功与裂纹扩展功相当时,试样的断裂处于韧脆转变点附近。(3)也可以用裂纹扩展功的变化对材料的韧脆转变进行估计,当裂纹扩展功出现陡降时,预示着材料从韧性到脆性的转变,50%TFATT温度将出现在该区域。5mm连铸14MnVTiRe钢板和6mm、8mm连铸10CrSiNiCu钢板的落锤撕裂试验结果和实际断口测量结果基本相符,10CrSiNiCu钢的韧性(转变温度和裂纹扩展