夏比沖擊試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)金屬材料的沖擊韌性，具有試驗(yàn)時(shí)間短、試樣加工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于材料的力學(xué)性能測(cè)試中。沖擊韌性是管道設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要指標(biāo)之一。夏比沖擊試驗(yàn)測(cè)定的參數(shù)包括沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值和剪切斷面率等，沖擊吸收能量是指試樣在一次沖擊力作用下折斷時(shí)所吸收的能量，側(cè)膨脹值反映了材料抵抗應(yīng)力斷裂的能力。側(cè)膨脹值的測(cè)量方法有圖像分析法、游標(biāo)卡尺法、側(cè)膨脹儀測(cè)量法等。剪切斷面率是指塑性斷面占試樣斷面總面積的百分比。沖擊吸收能量通常作為考核材料低溫韌性的主要指標(biāo)，而側(cè)向膨脹值也可在一些特殊場(chǎng)合單獨(dú)作為韌性指標(biāo)使用。HG/T 20585—2020 《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)范》及TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》新增了對(duì)抗拉強(qiáng)度大于630MPa的高強(qiáng)鋼側(cè)膨脹值的要求。
夏比沖擊試驗(yàn)可以用來(lái)確定材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，該溫度決定了材料的低溫性能，是衡量材料韌-脆性轉(zhuǎn)變傾向的重要指標(biāo)，一般將沖擊吸收能量低至正常值的50%~60%時(shí)的溫度作為材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，或?qū)⒃嚇永w維狀斷口面積占斷口總面積50%的溫度作為韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。
研究人員以不同管線鋼為研究對(duì)象，比較了圖像分析法、游標(biāo)卡尺法、側(cè)膨脹儀法測(cè)量側(cè)膨脹值結(jié)果的差異，并對(duì)X80鋼實(shí)心焊絲自動(dòng)焊環(huán)焊縫中心進(jìn)行不同溫度的夏比沖擊試驗(yàn)，分析了采用沖擊吸收能量、剪切斷面率、側(cè)膨脹值測(cè)定韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的一致性，并得到了環(huán)焊縫韌-脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)應(yīng)的側(cè)膨脹值。
1、 試驗(yàn)過(guò)程及方法
1.1 測(cè)量側(cè)膨脹值的方法
對(duì)X52M、X80M、X80HD鋼進(jìn)行不同溫度(-100，-80，-60，-40，-20，0，20℃)的夏比沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm(長(zhǎng)度×寬度×高度)。試驗(yàn)完成后，分別使用圖像分析法、游標(biāo)卡尺法、側(cè)膨脹儀法測(cè)量試樣的側(cè)膨脹值(見(jiàn)圖1)。
按照CNAS-GL02《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》和JJF1033—2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》，對(duì)3種測(cè)量方法的準(zhǔn)確度En進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如式(1)所示。
1.2 管線鋼韌-脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定方式
分別對(duì)X52M、X80M、X80HD鋼進(jìn)行不同溫度的夏比沖擊試驗(yàn)，并繪制沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值與溫度的關(guān)系曲線。管線鋼組織的均勻性好，斷口解理區(qū)域與剪切區(qū)域的區(qū)分較明顯。因此，首先用50%剪切斷面率測(cè)定不同管線鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，然后分別采用沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值分別測(cè)定管線鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，并與采用剪切斷面率測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度相比較，以驗(yàn)證采用側(cè)膨脹值測(cè)定韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。
1.3 環(huán)焊縫沖擊試驗(yàn)
對(duì)X80鋼實(shí)心焊絲自動(dòng)焊環(huán)焊縫進(jìn)行不同溫度的夏比沖擊試驗(yàn),并繪制沖擊吸收能量、剪切斷面率、側(cè)膨脹值與溫度的關(guān)系曲線。
焊縫組織極不均勻,斷面上的結(jié)晶狀脆性區(qū)與纖維狀韌性區(qū)不易區(qū)分，僅以剪切斷面率測(cè)定的溫度作為韌-脆轉(zhuǎn)變溫度會(huì)導(dǎo)致偏差較大。因此，采用沖擊吸收能量、剪切斷面率、側(cè)膨脹值3種方法測(cè)定韌-脆轉(zhuǎn)變溫度后，對(duì)擬合曲線中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)韌-脆轉(zhuǎn)變時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)膨脹值是否具有一致性。
2、 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 側(cè)膨脹值測(cè)量方法的對(duì)比
不同方法測(cè)量側(cè)膨脹值的時(shí)間及準(zhǔn)確度如表1所示。由表1可知：游標(biāo)卡尺法測(cè)量用時(shí)最短，為30s，使用游標(biāo)卡尺法可顯著提高工作效率，側(cè)膨脹值法所用時(shí)間為50s，圖像法測(cè)量用時(shí)最長(zhǎng)；3種方法的測(cè)量準(zhǔn)確度均較好，其中側(cè)膨脹值法的測(cè)量準(zhǔn)確度最高。
綜合考慮測(cè)量時(shí)間及準(zhǔn)確度可知，對(duì)于韌性較好的材料，其側(cè)膨脹值較大,推薦釆用游標(biāo)卡尺法，可同時(shí)保證效率及準(zhǔn)確度；對(duì)于韌性較差或韌性不均勻的材料，側(cè)膨脹值小于1mm時(shí)，為保證測(cè)定準(zhǔn)確度，推薦采用側(cè)膨脹儀法；對(duì)于沖擊斷裂后發(fā)生扭曲的試樣，可采用側(cè)膨脹儀法。
2.2 管線鋼韌-脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定方式對(duì)比
不同管線鋼沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示，采用不同方式測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度如表2所示。由圖2和表2可知：采用沖擊吸收能量測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度與采用剪切斷面率測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度差值為-0.2~2.1℃，采用側(cè)膨脹值測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度與采用剪切斷面率測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度差值為±1.2℃。說(shuō)明采用側(cè)膨脹值測(cè)定金屬材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較好。
2.3 環(huán)焊縫韌-脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試方法對(duì)比
環(huán)焊縫沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值與溫度的關(guān)系曲線如圖3所示。采用不同方式測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度及其對(duì)應(yīng)的側(cè)膨脹值如表3所示。由圖3和表3可知：采用沖擊吸收能量和側(cè)膨脹值測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果一致性較好，采用剪切斷面率測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度與前兩種方法得到的結(jié)果相差較大；采用沖擊吸收能量和側(cè)膨脹值測(cè)定的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)應(yīng)的側(cè)膨脹值具有一致性，環(huán)焊縫韌-脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)應(yīng)的側(cè)膨脹值為0.90mm。說(shuō)明采用側(cè)膨脹值確定焊縫中心韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的方法準(zhǔn)確度比較高。
3、 結(jié)論
(1)對(duì)于韌性較差、韌性不均勻的材料及沖擊斷裂后發(fā)生扭曲的試樣，宜采用側(cè)膨脹儀法測(cè)量其側(cè)膨脹值。
(2)對(duì)于管線鋼，采用側(cè)膨脹值測(cè)定其韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較好。
(3)對(duì)于X80鋼實(shí)心焊絲自動(dòng)焊環(huán)焊縫，采用沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值測(cè)定的焊縫中心韌-脆轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果一致性較好，環(huán)焊縫韌-脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)應(yīng)的側(cè)膨脹值為0.90mm。
作者：夏培培，徐曉林，谷云龍，肖健，吳林恩，張莎莎
單位：中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司 油氣管道輸送安全國(guó)家工程研究中心
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第9期
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