金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)一直是材料性能測試研究的重點(diǎn)，其可以相對(duì)準(zhǔn)確地反映出材料在不同溫度下的斷裂形式，從而可對(duì)一些工件在低溫工作環(huán)境下的服役能力和事故風(fēng)險(xiǎn)作出預(yù)判。
目前，評(píng)價(jià)金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法為依靠一次性破斷試驗(yàn)所得到的吸收能量、剪切斷面率、側(cè)膨脹值等數(shù)據(jù)，獲取隨試驗(yàn)溫度變化的曲線，再找出韌脆過渡區(qū)域特征點(diǎn)。對(duì)于非典型斷口(如分層、不規(guī)則脆性區(qū)域)材料的剪切斷面率只能用估算的方法得出，特別是對(duì)于斷口呈混合形貌的材料，就無法用剪切斷面率的方法測得其具體轉(zhuǎn)變溫度，典型的代表材料有SAE 4340、SAE 4140等。隨著航空、汽車、船舶領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，材料牌號(hào)的多樣性及不同制備工藝的差異性使傳統(tǒng)、單一的測試方法無法滿足各類材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的測定，尤其是斷口呈混合形態(tài)的金屬材料。而儀器化沖擊試驗(yàn)沒有局限性，可利用高速應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)生成的一系列曲線來區(qū)分材料的韌性、脆性破壞，定量分解裂紋形成能及裂紋擴(kuò)展能，為材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的評(píng)價(jià)提供了一種新的方法。通過力-位移特征曲線中的面積積分可獲取能量特征值，由公式可計(jì)算得到相應(yīng)的剪切斷面率，從而較好地解決非典型斷口材料無法通過剪切斷面率獲取其韌脆轉(zhuǎn)變特性的問題，避免目視觀察導(dǎo)致的人為引入誤差，可進(jìn)一步促進(jìn)沖擊試樣斷口韌脆特征評(píng)價(jià)過程的統(tǒng)一性和規(guī)范化。
1 、試驗(yàn)材料
按照GB/T 19748—2019《金屬材料 夏比V型缺口擺錘沖擊試驗(yàn) 儀器化試驗(yàn)方法》對(duì)典型斷口材料34CrNiMo6合金鋼進(jìn)行了儀器化沖擊試驗(yàn)，總結(jié)出典型斷口材料韌脆轉(zhuǎn)變特性評(píng)價(jià)的儀器化沖擊試驗(yàn)方法，進(jìn)而將其運(yùn)用至混合型斷口材料SAE 4140的韌脆轉(zhuǎn)變溫度評(píng)價(jià)中，通過選用標(biāo)準(zhǔn)附錄不同公式計(jì)算得到相應(yīng)的剪切斷面率，利用Boltzmann函數(shù)擬合曲線，找出相應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)，以此驗(yàn)證該方法的可行性。
測試對(duì)象中的典型斷口材料選用34CrNiMo6合金鋼，將其加工成規(guī)格為10mm×10mm×55mm(長×寬×高)的試樣，共24件。非典型斷口材料選用SAE 4140合金鋼，其化學(xué)成分如表1所示。SAE 4140的熱處理工藝為：860℃正火，淬火介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，590℃ 回火，布氏硬度為290~325HBW，將其加工成規(guī)格為10mm ×10mm×55mm(長×寬×高)的夏比V型缺口沖擊試樣，共20件。
SAE 4140材料在低溫沖擊后斷口形貌的韌脆界限不清晰，呈明顯的混合形態(tài),與典型的斷口形貌有較大差異(見圖1)。其中：圖1a)為室溫下的斷口形貌，呈純剪切斷口形貌；圖1b)為34CrNiMo6鋼室溫沖擊后的斷口形貌，由上至下試驗(yàn)溫度分別為-60，-90，-110℃，可看出脆性斷裂區(qū)所占比例隨試驗(yàn)溫度的降低而明顯增大；圖1c)為-196℃條件下的純解理斷口形貌；圖1d)為SAE 4140鋼試樣在-40℃沖擊后的斷口形貌，呈灰暗色，且無明顯韌脆區(qū)域分界線。
圖2為上述對(duì)應(yīng)各斷口的微觀形貌。圖2a)為典型的純剪切斷口，形貌較為粗糙，一般塑性較好材料的微觀形貌上可見韌窩狀孔洞；圖2b)為典型的純解理斷裂形貌，各河流狀紋理對(duì)應(yīng)著各自不同高度的解理面臺(tái)階；圖2c)為塑性區(qū)域和脆性區(qū)域分界處的低倍形貌，二者間由一條明顯臺(tái)階隔開,表現(xiàn)為韌窩→韌窩+準(zhǔn)解理面→純解理的斷面過渡方式，穿晶斷裂所占的比例向解理區(qū)一側(cè)逐漸增多，而韌窩數(shù)量逐漸減少；圖2d)為 SAE 4140合金鋼在-40℃下的微觀形貌，韌窩及少量“河流狀紋理”摻雜在一起,沒有明確的韌脆分界界面，宏觀表現(xiàn)為無法使用目測的方式去評(píng)價(jià)沖擊試樣的剪切斷面率，后期很難對(duì)其進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度評(píng)價(jià)。
2 、典型斷口材料34CrNiMo6鋼的試驗(yàn)結(jié)果
首先利用儀器化沖擊試驗(yàn)方法對(duì)34CrNiMo6合金鋼進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度評(píng)價(jià)，因其斷口具有典型韌脆分明的特征,因此只需依照常規(guī)試驗(yàn)步驟進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用目視評(píng)價(jià)試樣斷口剪切斷面率，確定下一個(gè)沖擊試樣的試驗(yàn)溫度，選用 Boltzmann函數(shù)對(duì)曲線進(jìn)行擬合，得到韌脆區(qū)域各占50%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)，獲取每組試樣的力-位移曲線,得到各個(gè)力特征值：屈服力Fgy、最大力Fm、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力Fa，利用GB/T 19748—2019資料性附錄D中的公式計(jì)算各個(gè)試樣的剪切斷面率，如式(1)~(4)所示。
通過對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果及沖擊吸收能量-溫度曲線、側(cè)膨脹值-溫度曲線來論證各剪切斷面率計(jì)算公式對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼的適用性。34CrNiMo6鋼的儀器化沖擊試驗(yàn)分為兩組，每組8個(gè)試樣，結(jié)果如表2，3，4所示，韌脆轉(zhuǎn)變溫度如表5，6所示(其中DBTT50(II)為基于儀器化沖擊得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，DBTT50為目視法測量得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，ETT50為沖擊吸收能量占50%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，LETT50為側(cè)向膨脹值占50%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度)，4種韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線如圖3，4所示。
從以上兩組34CrNiMo6鋼的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，DBTT50和DBTT50(II)基本一致，前者分別為-68，-66℃，后者分別為-70，-68℃，表明利用儀器化沖擊及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算剪切斷面率的方式可以替代傳統(tǒng)的目視評(píng)價(jià)方法，且每一組ETT50及LETT50與DATT50(II)相差都在10℃以內(nèi)，從另一個(gè)方面也說明了試樣的剪切斷面率和側(cè)膨脹值、沖擊吸收能量之間的內(nèi)在關(guān)系。
觀察各組的力特征值Fm可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，F(xiàn)m呈上升趨勢，從標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19748—2019附錄中計(jì)算剪切斷面率的4個(gè)公式可以看出，最大力Fm均出現(xiàn)在分母中，說明材料的韌性與其抗斷裂能力有關(guān)，F(xiàn)m升高，材料韌性降低，這是因?yàn)樵谙鄬?duì)較低的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，如-60，-80℃，材料最大抗斷裂能力由塑性主導(dǎo)，低溫試驗(yàn)條件下試樣V型缺口的根部變形困難，對(duì)外表現(xiàn)為Fm增大。隨著試驗(yàn)溫度的進(jìn)一步降低，-110，-196℃時(shí)材料的最大抗斷裂能力由脆性主導(dǎo)，試樣V型缺口根部在應(yīng)力集中的情況下很快達(dá)到裂紋擴(kuò)展的臨界水平，導(dǎo)致Fm下降，但由于此時(shí)Fiu與Fm非常接近，F(xiàn)a基本接近力-位移曲線的底部，因此利用公式計(jì)算得到的剪切斷面率趨向于韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線的下平臺(tái)區(qū)域。
由以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出，利用儀器化沖擊試驗(yàn)方法得到34CrNiMo6合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與目視方法得到的結(jié)果基本一致，且與利用沖擊吸收能量-溫度、側(cè)膨脹值-溫度曲線得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度差別不大，儀器化沖擊試驗(yàn)方法可以用于該類鋼種的韌脆轉(zhuǎn)變溫度評(píng)價(jià)。
3、混合型斷口材料SAE 4140的試驗(yàn)結(jié)果
SAE 4140混合型斷口材料試樣共分為兩組，每組10個(gè)，采用與上述相同的試驗(yàn)方法，具體試驗(yàn)結(jié)果如表7，8所示，韌脆轉(zhuǎn)變溫度如表9，10所示，3種韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線如圖5，6所示。
從表8，9可以看出，與之前34CrNiMo6鋼的結(jié)果一樣，每一組SAE 4140材料的ETT50及LETT50與DBTT50(II)基本保持一致，前者ETT50分別為-81，-79℃，LETT50分別為-76，-72℃，后者均為-82℃，最大溫度偏差為6℃。基于沖擊吸收能量-溫度、側(cè)膨脹值-溫度得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線的擬合結(jié)果比之前34CrNiMo6鋼的結(jié)果更好，說明該材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度也可以通過能量轉(zhuǎn)變溫度曲線及側(cè)膨脹值轉(zhuǎn)變溫度曲線的方式來獲取，但不能保證每一種混合型斷口材料的沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值、剪切斷面率具有良好的相關(guān)性。
4 、結(jié)論
(1)利用儀器化沖擊試驗(yàn)方法得到34CrNiMo6合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與目視評(píng)價(jià)方法的結(jié)果相近，且和利用沖擊吸收能量-溫度、側(cè)膨脹值-溫度得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度基本一致，儀器化沖擊試驗(yàn)方法可以用于該類鋼種的韌脆轉(zhuǎn)變溫度評(píng)價(jià)中。
(2)儀器化沖擊試驗(yàn)方法可以用于評(píng)價(jià)混合型斷口材料SAE 4140鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明利用沖擊吸收能量-溫度、側(cè)膨脹值-溫度得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與前者基本一致，但儀器化沖擊試驗(yàn)方法的可靠性更高。
作者：許鶴君，梅壇
單位：上海材料研究所有限公司 檢測中心
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年10月
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