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沖擊試驗(yàn)因其樣品加工簡(jiǎn)單、試驗(yàn)時(shí)間短、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷敏感而成為評(píng)價(jià)金屬材料沖擊韌性應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)，也是評(píng)價(jià)沖擊載荷下金屬材料韌性的重要手段之一，其中夏比沖擊試驗(yàn)是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的材料低溫韌性評(píng)價(jià)方法。在實(shí)際樣品加工中，由于某些板厚度不夠，不能制作10mm×10mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸的夏比沖擊樣品，必須考慮使用10mm×7.5mm、10mm×5mm等小尺寸樣品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。小型樣品的沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)保證材料質(zhì)量具有重要意義。目前，相關(guān)研究主要集中在材料沖擊平臺(tái)上吸收能量，即全塑性斷裂，對(duì)其他溫度的研究較少。

1 試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

沖擊試驗(yàn)使用某鍛件廠提供的材料各項(xiàng)性能均 勻的SA508-3鋼，將其加工成10mm×10mm×55mm,10mm×7.5mm×55mm,10mm×6.7mm×55mm,10mm×5mm×55mm等4種厚度的沖擊試樣；試驗(yàn)采用RKP450 IWI型全自動(dòng)高低溫示波沖擊試驗(yàn)機(jī)，其沖擊吸收能量為450J。

1.2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小尺寸試樣沖擊吸收能量的要求

ASTM A673/A673M—2017 Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel對(duì)不同尺寸試樣的沖擊吸收能量的要求如表1所示。

根據(jù)表1可知，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊吸收能量的要求與試樣的厚度呈正比，而對(duì)于試樣的側(cè)膨脹值及剪切斷面率，則沒有具體的要求。

1.3試驗(yàn)方法

首先用加工后的一批落錘試樣測(cè)試該材料的無 延性轉(zhuǎn)變溫度(TNDT)，當(dāng)落錘試驗(yàn)進(jìn)行到-40 ℃時(shí)，落錘試樣斷裂，而-35℃時(shí)兩個(gè)試樣均未斷裂，由ASTM E208—2017 Standard Test Method for Conducting Drop-Weight Test to Determine Nil-Ductility Transition Temperature of Ferritic Steels 可知該材料的TNDT為-40℃。選取-60~60℃作為沖擊試驗(yàn)溫度，每間隔20℃為一個(gè)梯度設(shè)置沖擊試驗(yàn)溫度，并在每個(gè)溫度梯度下分別對(duì)上述4種不同尺寸的兩個(gè)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)量并記錄試樣的沖擊吸收能量、側(cè)膨脹值及剪切斷面率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1試樣厚度對(duì)沖擊吸收能量的影響

不同厚度試樣的沖擊吸收能量-溫度曲線如 圖1所示；不同厚度試樣的沖擊吸收能量比值與試樣厚度關(guān)系如圖2所示，其中尺寸比值折線所對(duì)應(yīng)的是4種尺寸試樣厚度與標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣厚度的比值，即1，0.75，0.67，0.5，其余7條折線代表的是在不同溫度下4種尺寸試樣的沖擊吸收能量與標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的沖擊吸收能量比值。

圖2 不同厚度試樣的沖擊吸收能量比值與試樣厚度關(guān)系

由圖1可知，4條曲線在-40℃左右出現(xiàn)了明 顯的不同，具體表現(xiàn)為隨試樣厚度增加，曲線斜率明顯增大，這是因?yàn)榇藭r(shí)的溫度處于該材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。通常此轉(zhuǎn)變溫度被定義為吸收能量突然增加(或減少)時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，此時(shí)斷裂模式由韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。同時(shí)，4條曲線出現(xiàn)較大能量變化的溫度范圍基本相同，即改變沖擊試樣的厚度并不會(huì)影響到通過沖擊吸收能量-溫度曲線得出的該材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

由圖2可知，當(dāng)試驗(yàn)溫度高于該材料的韌脆轉(zhuǎn) 變溫度，即處于上平臺(tái)溫度時(shí)，各條沖擊吸收能量比值折線與尺寸比值折線相互重合，即沖擊吸收能量與試樣厚度之間呈線性關(guān)系。是因?yàn)榇藭r(shí)沖擊試樣為韌性斷裂，而韌性斷裂時(shí)沖擊吸收能量受其他因素影響較小，僅和試樣的橫截面積有關(guān)。

當(dāng)試驗(yàn)溫度降低到材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 (-40℃)時(shí)，沖擊吸收能量比值折線開始偏離尺寸比值折線，即沖擊吸收能量與試樣厚度之間沒有線性關(guān)系，此時(shí)沖擊試樣屬于脆性斷裂。由于幾乎不產(chǎn)生塑性變形，橫截面積對(duì)于沖擊吸收能量的影響可以忽略不計(jì)，甚至當(dāng)沖擊試樣厚度增大時(shí)，試樣的力學(xué)約束程度增加，從而降低了沖擊吸收能量，這也解釋了為什么在-60~-40℃時(shí)，試樣的沖擊吸收能量幾乎沒有變化。

2.2試樣厚度對(duì)側(cè)膨脹值的影響

不同厚度試樣的側(cè)膨脹值-溫度曲線如圖3所 示，可知隨著試驗(yàn)溫度的升高，側(cè)膨脹值也增大，但是在任一個(gè)溫度下，不同厚度試樣的側(cè)膨脹值相差很小，這也意味著側(cè)膨脹值對(duì)于某個(gè)具體的材料來說是一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)，僅僅與試驗(yàn)溫度有關(guān)，而與試樣的厚度沒有明顯的關(guān)系。通常定義的側(cè)膨脹值指的是沖擊試樣斷裂后斷口兩側(cè)膨脹量之和。而產(chǎn)生側(cè)膨脹的原因是當(dāng)材料在沖擊過程中受到平面應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展向外擠壓，對(duì)于不同厚度的試樣來說，無論是脆性或韌性斷裂，裂紋擴(kuò)展能量總是相同的，所以側(cè)膨脹值也不變。

2.3試樣厚度對(duì)剪切斷面率的影響

不同厚度試樣的剪切斷面率-溫度曲線如圖4 所示，可見4種厚度試樣的曲線斜率在-40℃時(shí)發(fā)生劇烈的變化，即試驗(yàn)溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，剪切斷面率也會(huì)迅速降低。而4條曲線相互之間的差異同側(cè)膨脹值曲線的基本一致，也說明了剪切斷面率和試樣厚度之間沒有明顯的關(guān)系。

圖4 不同厚度試樣的剪切斷面率-溫度曲線

2.4試樣厚度對(duì)特征值的影響

圖5為20℃時(shí)4種不同厚度試樣的力-位移 曲線，在力-位移曲線中，沖擊吸收能量W t就是曲 線和橫坐標(biāo)之間的面積。觀察4條曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著試樣厚度的減小，曲線和橫坐標(biāo)之間的面積也在逐漸減小，即沖擊吸收能量W t減小；另一 個(gè)特征值力F m是沖擊試樣在沖擊試驗(yàn)過程 中受到的力，由曲線可以看出，試樣吸收的能量越大，則沖擊過程中所受到的力也越大。隨厚度的減小，不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力F iu，即曲 線在力之后開始急劇下降的力，也越來越小，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展能量也越小，從而導(dǎo)致沖擊吸收能量減小。

圖5 不同厚度試樣的力-位移曲線

2.5試樣厚度對(duì)斷口形貌的影響

圖6是試驗(yàn)溫度為20℃時(shí)不同厚度試樣沖擊 斷口的宏觀形貌，可見對(duì)于不同厚度的試樣，斷口形貌基本相同，均為韌性斷裂，結(jié)合圖3的側(cè)膨脹值曲線發(fā)現(xiàn)，斷口與試樣的厚度并無直接聯(lián)系，與前文通過曲線得出的結(jié)論吻合。

圖6 20℃時(shí)不同厚度試樣的斷口宏觀形貌

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)試驗(yàn)溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，沖擊吸 收能量與試樣的橫截面積有關(guān)，因此與厚度呈線性關(guān)系。而低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，沖擊吸收能量與試樣厚度之間沒有明顯關(guān)系。

(2) 試樣的側(cè)膨脹值、剪切斷面率、斷口形貌與 厚度之間沒有直接聯(lián)系。

(3) 隨著試樣厚度的減小，不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起 始力越來越小，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展能量也越小，從而導(dǎo)致沖擊吸收能量減小。厚度越大，試樣吸收的能量越多，沖擊過程中所受到的力也越大。

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