ah32船用鋼板韌脆轉變溫度研究

0材料的力學性能如果試驗溫度低于一定溫度，材料從韌性狀態(tài)改為彈性狀態(tài)，影響吸收功能顯著降低。斷裂機理從微孔聚集轉化為晶體分解，斷口從纖維狀態(tài)轉至結晶狀態(tài)，即低溫耐心。這個溫度被稱為韌脆轉化溫度。影響材料的脆性和韌性的因素有很多,主要包括材料的微結構、晶粒大小、結構成分、應力狀態(tài)、溫度和樣品的結構尺寸等1樣品熱處理工藝試驗試驗材料為船用AH32中厚板,厚度為20mm,試樣加工成的尺寸(長×寬×高)有:55mm×10.0mm×10mm,55mm×12.5mm×10mm,55mm×15.0mm×10mm,55mm×17.5mm×10mm和55mm×20.0mm×10mm。降低由于材質不均勻造成的試驗結果偏差,采用退火工藝(見圖1)對樣品進行熱處理。退火處理后在ZBC2302-3微機控制低溫全自動沖擊試驗機上進行系列溫度的沖擊試驗,試驗溫度分別為-20℃,-30℃,-40℃,-50℃,-60℃,-70℃,-80℃,-90℃,-100℃和-110℃。試驗參考GB/T229—2007中給出標準及文獻[4]中給出的方法進行。沖擊試驗完成之后,利用ZEISS公司生產(chǎn)的SUPRA55型掃描電子顯微鏡觀察沖擊后試樣的斷口,對不同溫度下斷口起裂處的微觀形貌進行分析。2結果與討論對選用的材料進行化學成分分析、力學性能測試、韌脆轉變溫度測試和掃描電鏡斷口分析。2.1分析的弱化取樣船用鋼板(AH32船用鋼板)的化學成分見表1,符合GB712—2011《船舶及海洋工程用結構鋼》中對AH32的相關要求。2.2符合《gb712—力學性能測試AH32船用鋼板力學性能見表2,符合GB712—2011相關要求。沖擊試驗進行分層取樣,試驗結果表明上下層測試數(shù)據(jù)一致,符合測試要求。2.3各尺寸試樣間的沖擊功-沖擊溫度擬合分析從取樣鋼板上取55mm×10.0mm×10mm,55mm×12.5mm×10mm,55mm×15.0mm×10mm,55mm×17.5mm×10mm和55mm×20.0mm×10mm等5種規(guī)格型號的試樣各10組,分別在-20℃,-30℃,-40℃,-50℃,-60℃,-70℃,-80℃,-90℃,-100℃和-110℃溫度下進行測試,測試數(shù)據(jù)見表3。利用Boltzmann函數(shù)對測試數(shù)據(jù)進行擬合,對沖擊功-溫度曲線進行擬合可取得良好的效果Boltzmann函數(shù)模型為式(1)中:w為沖擊功,J;利用Origin軟件中的非線性回歸功能,通過Boltzmann函數(shù)模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合。圖2為各尺寸試樣在各溫度點下的沖擊功-沖擊溫度擬合圖(韌脆轉變溫度擬合圖)。材料的失效形式主要有脆性斷裂和屈服2種,都各自對應不同的強度理論。經(jīng)典力學理論認為,當鋼結構件中某點的最大主拉應力uf073在一定溫度條件下,當構件中某點的應力尚未達到屈服狀態(tài),但該點的主拉應力uf073應力狀態(tài)對鋼材及其構件的塑性和韌性有較大的影響,而構件尺寸是影響應力狀態(tài)的因素之一。因為隨著厚度的增大,應力集中區(qū)會由平面應力狀態(tài)過渡為平面應變狀態(tài)。該應力狀態(tài)約束尖端的塑性流動,塑性變形大大降低,使得沖擊試樣達到某溫度點后其沖擊功因試樣尺寸的增大而減小,導致沖擊試樣的韌脆轉變溫度因試樣厚度增加而提高。2.4沖擊能量的消耗在韌脆轉變溫度的上平臺區(qū),試樣越厚,其消耗的沖擊能量越多。隨著溫度的降低,尺寸越大的試樣消耗的沖擊能量越少,并在某個溫度點時消耗的沖擊能量小于尺寸較小的試樣消耗的沖擊能量。由于各沖擊試樣的尺寸不同,其在沖擊過程中受到的應力狀態(tài)不同,無法進行直接對比。由沖擊功-沖擊溫度擬合曲線的斜率可知,不同尺寸沖擊試樣的韌脆轉變溫度的變化趨勢是不同的,厚度越大,脆性趨勢越強。3大尺寸試樣脆性斷裂斷口分析通過掃描電鏡對沖擊試樣斷口起裂端進行掃描,得到的試樣斷口圖見圖3~圖6,與上文的沖擊試樣一一對應。1)在-20℃溫度下,5種不同尺寸試樣的起裂處斷口形貌基本一樣,都具有大量的小韌窩,屬于典型的韌性斷裂。2)隨著試樣厚度的增大,其斷口形貌開始出現(xiàn)差異,在大量小韌窩的基礎上,出現(xiàn)很多脆性斷裂形態(tài),尤其是在55mm×20.0mm×10mm的試樣斷面上,脆性斷裂形態(tài)布滿整個斷裂面。3)在-50℃溫度下,各尺寸試樣的起裂處斷口形貌又達到基本一致,韌窩消失并形成大量的沿晶斷裂組織。4)在-60℃溫度下,各尺寸試樣的起裂處斷口形貌出現(xiàn)由解離裂紋與機械孿晶共同作用形成的“舌狀花樣”及“魚骨狀花樣”形貌,這些都是典型的完全脆性斷面結構,說明在該溫度下各尺寸試樣的斷口都呈現(xiàn)為完全脆性斷裂狀態(tài)。通過對上述5種尺寸樣品在不同溫度下的沖擊斷裂起裂處斷口進行分析可知:在相同溫度條件下,大尺寸的試樣比小尺寸的試樣容易產(chǎn)生脆性斷裂;在此次測試的范圍內,隨著試樣厚度的增大,試樣形成解理脆性斷口的溫度逐漸升高。該結論與根據(jù)韌脆轉變溫度的能量數(shù)據(jù)變化趨勢和韌脆轉變的溫度范圍得出的結論是一致的,即隨著試樣尺寸增大,其韌脆轉變的溫度逐漸升高。4材料厚度與韌脆轉變溫度的關系通過對AH32船用鋼板5種尺寸試樣進行韌脆轉變溫度測試,并結合斷口的形貌進行分析,發(fā)現(xiàn)使用不同尺寸試樣得到的材料韌脆轉變溫度是不同的,試樣厚度越大,測試得到的韌脆轉變溫度越高。通俗地講,即在相同的溫度條件下,厚度大的材料比厚度小