ah32船用鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度研究

ah32船用鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度研究

0材料的力學(xué)性能如果試驗(yàn)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(jī)理從微孔聚集轉(zhuǎn)化為晶體分解，斷口從纖維狀態(tài)轉(zhuǎn)至結(jié)晶狀態(tài)，即低溫耐心。這個(gè)溫度被稱為韌脆轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、晶粒大小、結(jié)構(gòu)成分、應(yīng)力狀態(tài)、溫度和樣品的結(jié)構(gòu)尺寸等1樣品熱處理工藝試驗(yàn)試驗(yàn)材料為船用AH32中厚板,厚度為20mm,試樣加工成的尺寸(長(zhǎng)×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(zhì)不均勻造成的試驗(yàn)結(jié)果偏差,采用退火工藝(見圖1)對(duì)樣品進(jìn)行熱處理。退火處理后在ZBC2302-3微機(jī)控制低溫全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行系列溫度的沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度分別為-20℃,-30℃,-40℃,-50℃,-60℃,-70℃,-80℃,-90℃,-100℃和-110℃。試驗(yàn)參考GB/T229—2007中給出標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[4]中給出的方法進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)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(duì)不同溫度下斷口起裂處的微觀形貌進(jìn)行分析。2結(jié)果與討論對(duì)選用的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)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(xué)成分見表1,符合GB712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)AH32的相關(guān)要求。2.2符合《gb712—力學(xué)性能測(cè)試AH32船用鋼板力學(xué)性能見表2,符合GB712—2011相關(guān)要求。沖擊試驗(yàn)進(jìn)行分層取樣,試驗(yàn)結(jié)果表明上下層測(cè)試數(shù)據(jù)一致,符合測(cè)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(hào)的試樣各10組,分別在-20℃,-30℃,-40℃,-50℃,-60℃,-70℃,-80℃,-90℃,-100℃和-110℃溫度下進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。利用Boltzmann函數(shù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,對(duì)沖擊功-溫度曲線進(jìn)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。圖2為各尺寸試樣在各溫度點(diǎn)下的沖擊功-沖擊溫度擬合圖(韌脆轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)不同的強(qiáng)度理論。經(jīng)典力學(xué)理論認(rèn)為,當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)件中某點(diǎn)的最大主拉應(yīng)力uf073在一定溫度條件下,當(dāng)構(gòu)件中某點(diǎn)的應(yīng)力尚未達(dá)到屈服狀態(tài),但該點(diǎn)的主拉應(yīng)力uf073應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鋼材及其構(gòu)件的塑性和韌性有較大的影響,而構(gòu)件尺寸是影響應(yīng)力狀態(tài)的因素之一。因?yàn)殡S著厚度的增大,應(yīng)力集中區(qū)會(huì)由平面應(yīng)力狀態(tài)過渡為平面應(yīng)變狀態(tài)。該應(yīng)力狀態(tài)約束尖端的塑性流動(dòng),塑性變形大大降低,使得沖擊試樣達(dá)到某溫度點(diǎn)后其沖擊功因試樣尺寸的增大而減小,導(dǎo)致沖擊試樣的韌脆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度的上平臺(tái)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(gè)溫度點(diǎn)時(shí)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(yīng)力狀態(tài)不同,無(wú)法進(jìn)行直接對(duì)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(zhuǎn)變溫度的變化趨勢(shì)是不同的,厚度越大,脆性趨勢(shì)越強(qiáng)。3大尺寸試樣脆性斷裂斷口分析通過掃描電鏡對(duì)沖擊試樣斷口起裂端進(jìn)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(duì)應(yīng)。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(chǔ)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(gè)斷裂面。3)在-50℃溫度下,各尺寸試樣的起裂處斷口形貌又達(dá)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(jī)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(jié)構(gòu),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(duì)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(jìn)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(cè)試的范圍內(nèi),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(jié)論與根據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的能量數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍得出的結(jié)論是一致的,即隨著試樣尺寸增大,其韌脆轉(zhuǎn)變的溫度逐漸升高。4材料厚度與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系通過對(duì)AH32船用鋼板5種尺寸試樣進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試,并結(jié)合斷口的形貌進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)使用不同尺寸試樣得到的材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度是不同的,試樣厚度越大,測(cè)試得到的韌脆轉(zhuǎn)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