擺錘刀半徑對夏比沖擊吸收能量的影響

吸收影響是鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量性能的重要指標(biāo)之一，也是材料理化檢驗的重要指標(biāo)。其可較為便捷和直觀地反映材料的抗彈、塑性變形的能力和材料抗破斷的缺口敏感度。對材料進(jìn)行系列溫度的沖擊試驗還可以測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,該指標(biāo)更是工程設(shè)計和構(gòu)件安全使用的重要考量依據(jù)。對照GB/T229-2007和GB/T229-1994,可見新標(biāo)準(zhǔn)與老標(biāo)準(zhǔn)相比有了較大的修訂,其中很重要的一點,可能是為了兼顧美標(biāo)和國標(biāo)及歐標(biāo)的原因,增加了擺錘刀刃半徑為8mm的要求。為此,筆者分別采用8mm和2mm擺錘刀刃半徑對低、中、高3個沖擊吸收能量等級的3種鍛件鋼材進(jìn)行了系列溫度沖擊對比試驗,研究了擺錘刀刃半徑對沖擊試驗結(jié)果的影響,以為相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。1試驗材料和試驗方法1.1中高壓機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選取能覆蓋低、中、高3個沖擊能量段的材料進(jìn)行試驗。低沖擊能量段的試驗,選用了制造汽輪機中高壓轉(zhuǎn)子用30Cr1Mo1V鍛件鋼;中等沖擊能量段的試驗,選取用于制造核電筒體的SA508Gr3Cl2鍛件鋼;高沖擊能量段的試驗,選用制造加氫反應(yīng)器的12Cr2Mo1V鍛件鋼,該3種材料的室溫拉伸性能見表1。1.2擺錘刀段的試驗該次試驗所用材料分別取自各自冶煉時同一爐號的相同部位。3個能量段的對比沖擊試驗具體如下:低能量段共用了16組試樣,其中8組用8mm擺錘刀刃半徑進(jìn)行試驗,另外8組用2mm擺錘刀刃半徑進(jìn)行試驗;中等能量段共用了10組試樣,兩種擺錘刀刃半徑各試驗了5組;在高能量段中,各進(jìn)行了5組兩種擺錘刀刃半徑的對比試驗。試驗是采用系列溫度的方法從低到高進(jìn)行。所有對比試驗所采用的沖擊試樣均按照GB/T229-2007的要求,加工成10mm×10mm×55mm的V型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣。3批不同能量段的試驗分別在兩臺不同量程的沖擊試驗機上進(jìn)行的。低能量段的試驗機型號為ZBC-2302N-2(量程為0~300J),中、高能量段的試驗機型號為ZBC-2602-C(量程為0~600J),兩臺試驗機分別是按照美標(biāo)和歐標(biāo)試樣進(jìn)行標(biāo)定的。1.3試驗溫度的上升對于低能量段的對比試驗,由于其在室溫下的沖擊吸收能量和剪切斷面率、側(cè)膨脹值都已經(jīng)很低了,即已經(jīng)是下平臺了,故系列沖擊試驗的溫度選取在室溫以上逐步上升,直至到上平臺;而中、高能量組的對比試驗,由于其在室溫時的沖擊試驗結(jié)果已經(jīng)在上平臺了,所以,系列沖擊試驗的溫度選取是從室溫逐步往下降。1.4擺錘刀半徑的試驗試樣編號用1個中文字母和2個阿拉伯?dāng)?shù)字來表示(D-X-X;Z-X-X;G-X-X)。開頭的中文字母D,Z,G分別表示是低能量段、中等能量段和高能量段的試驗,隨后第一個位置的X表示試驗所用沖擊試驗機擺錘刀刃的半徑,第二個位置的X表示試樣的組號(對應(yīng)于系列試驗溫度組,每組溫度下3個試樣,試驗結(jié)果取3個試樣的平均值)。比如,D-8-1,表示是低能量組、用8mm的擺錘刀刃半徑、第1組(0℃)的試樣;G-2-2表示是高能量組、用2mm擺錘刀刃半徑、第2組(-40℃)的試樣,以此類推。2試驗結(jié)果的對比由圖1~3可以看出,低、中、高能量段材料的對比試驗結(jié)果都呈現(xiàn)出較為明顯的差異,即采用8mm擺錘刀刃半徑測得的沖擊吸收能量均高于采用2mm擺錘刀刃半徑測得的,且該種差異隨著溫度的降低而逐漸縮小,兩者在下平臺附近趨近于一致。同時,兩種刀刃半徑測得的沖擊延性指標(biāo),側(cè)膨脹值LE(mm)和剪切斷面率F(%)隨擺錘刀刃半徑的變化也存在與沖擊吸收能量相同的結(jié)果。分析出現(xiàn)上述試驗結(jié)果的原因,是由于試樣在承受沖擊擺錘打擊的過程中所吸收的能量主要是由以下3部分組成:裂紋形成功、擴展功和撕裂功。即包括了試樣發(fā)生彈性變形時的彈性變形功、彈性變形后裂紋形成時的塑性變形功以及裂紋形成后擴展撕裂直至斷裂階段所吸收的能量。分析沖擊試驗的整個過程,即由擺錘刀刃接觸、打擊試樣來實施的,當(dāng)擺錘刀刃打擊試樣時,試樣首先發(fā)生了彈性變形,當(dāng)彈性變形達(dá)到極限時,試樣就沿著無拘束的寬度方向產(chǎn)生塑性變形。很顯然,刀刃接觸試樣的面積越大,試樣參與彈性和塑性變形的宏觀面積也就越大,其相應(yīng)的沖擊吸收能量也就越大。這就解釋了為什么用8mm擺錘刀刃半徑測得的沖擊吸收能量要高于用2mm擺錘刀刃半徑測得的。然而,在當(dāng)沖擊溫度很低的時候,如在下平臺附近,此時由于試樣總的變形量(包括彈性變形和塑性變形)都很小,沖擊吸收能量主要是由彈性功組成,在低溫脆性情況下,其塑性的影響可以忽略。因此,該時的擺錘刀刃半徑對沖擊吸收能量的影響不大。所以,兩者的試驗結(jié)果差別就不大,即AKV8和AKV2的差距隨著沖擊溫度的降低逐漸縮小或接近一致。在中、高沖擊溫度的對比試驗中,不同擺錘刀刃半徑測得結(jié)果的差距則較為顯著。該次試驗中,在高能量段(12Cr2Mo1V鍛件鋼)-40℃組的對比試驗中,采用8mm擺錘刀刃半徑測得的沖擊吸收能量平均值要比采用2mm擺錘刀刃半徑測得的沖擊吸收能量平均值高15%(沖擊吸收能量在200J左右);在中能量段(SA508Gr3Cl2鍛件鋼)-20℃組的試驗中兩者的差異達(dá)到了7%(沖擊吸收能量在150J左右);在低能量段(30Cr1Mo1V鍛件鋼)100℃組的對比試驗中,兩者也有4%的差距(沖擊吸收能量在100J左右)。這說明在該沖擊溫度區(qū)間段的試樣已經(jīng)部分或全部屈服,此時的塑性變形功在整個沖擊吸收能量里面占了很大的比例。而在當(dāng)沖擊吸收能量接近上平臺(即剪切斷面率F=100%)時,兩者的差距再一次呈現(xiàn)出縮小的趨勢,這是因為此時試樣已經(jīng)充分地塑性變形,其沖擊吸收能量已不再增加的緣故,故此時擺錘刀刃半徑對試驗結(jié)果的影響也就較小了。另外,在該次對比試驗中還發(fā)現(xiàn),由該兩種不同擺錘刀刃半徑試驗所得出的韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50的結(jié)果也不盡相同。尤其是對于中、高段沖擊吸收能量的材料,兩者的差異可從百分之幾到百分二十幾,尤其是FATT50所對應(yīng)的沖擊吸收能量在100~200J的材料,不同擺錘刀刃半徑之間的差異則更明顯,見圖4~6。3不同擺錘刀半徑對沖擊吸收能量的影響(1)在系列溫度沖擊試驗中,代表低、中、高沖擊能量段的3種鋼材相同溫度下采用8mm擺錘刀刃半徑測得的沖擊吸收能量均要比采用2mm擺錘刀刃半徑測得的高;但在沖擊吸收能量上、下平臺時,兩者的差異不大。(2)采用不同擺錘刀刃半徑進(jìn)行系列溫度沖擊試驗得出相同材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50也不相同,對于沖擊吸收能量在100~