回归基础–材料的韧性测试

夏比冲击试验确定断裂期间材料吸收的能量量。

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在最后一系列文章中,我们讨论了硬度测试和拉伸测试。在这些应用中,负载是短期内的静态负载。身体上的所有力都处于平衡状态。然而,在许多应用中,静态负载不是部件在使用中所经历的。在动态载荷中,载荷被迅速施加,并且力在体内没有达到平衡。当零件被加速时,零件动量被视为。应力是静态的,但施加的时间间隔很短。例如,锤子敲击钉子时所受的力。

韧性试验

韧性或材料的抗撕裂性与断裂过程中零件吸收的能量有关。如果吸收的能量很少,则断裂是脆性的。在零件形状上观察到很少或没有变形。断裂通常是平坦的,垂直于应力轴。断裂面有光泽,呈颗粒状外观。失败发生得很快,通常伴随着大声的报告。通常情况下,断裂外观是多面的。在坚硬的材料中,零件吸收的能量很大。观察到零件的视觉变形。断口呈钝状、纤维状。这种材料具有延展性。已经开发了各种测试来测量材料的韧性。某些测试方法可直接用于零件设计,而其他测试方法则不能。

夏比冲击试验

夏比V型缺口试验是一种测量冲击强度的试验,其中小缺口杆在三点弯曲中动态加载。试样的方形横截面为10mm,长度为55mm。钢筋包含一个夹角为45°且深度为2 mm的尖锐缺口。缺口半径为0.25mm。尺寸如图1所示。如果符合ASTM E23-18[1],则允许使用小尺寸试样。夏比冲击试验机示例如图2所示。

图1:夏比冲击试样的尺寸符合ASTM E23-18。
图2:摆锤夏比冲击试验机。(提供:马萨诸塞州诺伍德市英斯特朗公司)

在本试验中,将试样从冷却(或加热)槽中取出并放置在试样夹具上。释放摆锤,试样从槽中取出后5秒内破碎。读取冲击机的校准刻度盘,并取回断裂的试样。如果在低温下对高强度、低能试样进行试验,则试样倾向于使机器垂直于摆锤的摆动。这可能会导致试样撞击摆锤的读数错误(以及对操作员造成危险)。由于能量守恒,试样离开机器的速度可能超过50英尺/秒。如果试样以足够的能量撞击摆锤,摆锤将减速,机器将记录比实际发生的更高的吸收冲击能量。

受摆锤的撞击,试样被迫弯曲和断裂。加载的应变率较高,约为103.s-1. 由于高应变率,缺口处存在相当大的塑性约束。这种塑性约束在缺口尖端产生三轴应力状态。

在钢中,在冲击载荷期间,发生从韧性断裂到脆性断裂的转变,这取决于温度。它发生的温度称为转变温度。几何形状、晶粒尺寸和合金元素等其他变量会影响韧脆转变温度,但仅在给定合金内。

韧性-温度曲线(图3)有三个基本区域:上部货架、下部货架和过渡区域。上部陆架主要以韧性断裂为特征。高冲击能量与该区域有关。下大陆架是断裂为脆性的区域;在这个区域发现了低冲击能量。第三个区域是过渡区域,显示断裂试样所需的冲击能量减少。正是在这个区域,断裂从韧性变为脆性。由于这种转变通常发生在较宽的温度范围内,因此已经制定了各种标准来定义转变温度。

图3:三种0.40%碳钢的夏比冲击强度与试验温度的函数关系[2]。

定义韧脆转变温度的最常用方法称为延性转变温度。该温度是钢在不发生断裂的情况下吸收一定量能量的最低温度。通常定义为断裂期间钢吸收20 J(15 ft-lbs)冲击能量的温度。

通过钢的化学性质的简单变化,可以改变高达40°C的韧脆转变温度[3]。最大的化学变化是由于添加了碳和锰。其他合金添加剂也会改变钢的韧脆转变温度。镍降低了转变温度,而铬几乎没有影响。硅和磷一样提高了转变温度。过量的磷也会形成晶界沉淀,进一步提高转变温度。

钢的晶粒尺寸在韧脆转变温度中起着重要作用。减小晶粒尺寸会显著降低转变温度[4]。产生或促进细铁素体晶粒尺寸的工艺变化(如正火)以及随后的回火将降低转变温度。轧制温度和其他工艺变量都对产品的成品晶粒尺寸起着重要作用,因此晶粒尺寸也起着重要作用。

不幸的是,夏比冲击值不能用于设计,但可以为设计师提供最小设计值。它最常用于质量保证目的,其规格指示韧脆转变温度。

结论

在这篇短文中,我们描述了冲击试验的原理,以及影响夏比冲击值的一些因素。化学、微观结构和加工过程中的韧脆转变温度会发生很大变化。通过了解这些因素,设计师可以指定处理的最小值。

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参考文献

  1. ASTM国际,“金属材料缺口棒冲击试验的标准试验方法”,ASTM国际,宾夕法尼亚州康舍霍肯,2018年。
  2. A.Pineau,“断裂:解理”,《材料百科全书:科学与技术》(第二版),K.J.Buschow,R.W.Cahn,M.C.Flemings,B.Ilshner,E.J.Kramer,S.Mahajan和P.Veyssière编辑,Elsevier,2001年,第3279-3283页。
  3. G.E.迪特,机械冶金,纽约州纽约市:麦格劳·希尔,1976年。
  4. W.S.Owen,P.H.Whitman,M.Cohen和R.L.Averbach,“三种船用钢的夏比冲击性能与微观结构的关系”,焊接杂志,第36卷,第页。1957年5月3日。