低碳低合金鋼力學(xué)性能的研究

低碳低合金鋼力學(xué)性能的研究

單元前吸收的能量（即外部變形和破壞之前的氧化功能）稱為金屬堅(jiān)韌。通常將靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線下包圍的總面積,也就是材料在斷裂前單位體積所吸收的功稱之為靜力韌度。斷裂韌度則是材料阻止裂紋擴(kuò)展的韌性指標(biāo)。彈塑性條件下金屬的斷裂韌度J積分,是由裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI延伸出來的一種斷裂能量判據(jù),J積分值反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能,即應(yīng)力應(yīng)變的集中程度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)Barsom,Rolfe和Novak對(duì)屈服強(qiáng)度為758~1696MPa、斷裂韌度KIC為95.6~270MPa·m1/2、沖擊功KV為21.7~120.6J的11種鋼的性能數(shù)據(jù)作了總結(jié),得出斷裂韌度KIC與沖擊功KV的高階值以及屈服強(qiáng)度之間的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式:KIC=0.79[ReL(KV-0.01)ReL]1/2,兩者之間滿足一定的線性關(guān)系。本文試圖從能量判據(jù)入手,以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),得出了4種低碳低合金鋼靜力韌度Uk和斷裂韌度J0.2BL之間存在的關(guān)系。1試驗(yàn)材料本試驗(yàn)中研究的4種材料分別為熱軋板材S355,S275,Q345D和Q345E?；瘜W(xué)成分見表1。2試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論2.1材料的真實(shí)極限強(qiáng)度u靜力韌度Uk是指材料在使用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜拉伸時(shí),單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功。通常為靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線下包圍的面積減去試樣斷裂前吸收的彈性能。從基本力學(xué)性能求靜力韌度需要計(jì)算均勻變形時(shí)的真實(shí)伸長率,均勻變形時(shí)的真實(shí)應(yīng)力。σ為名義應(yīng)力,Z為斷面收縮率。因此材料的真實(shí)極限強(qiáng)度可以用Lüdwik公式表達(dá)真應(yīng)力與真應(yīng)變之間的關(guān)系:s=s0+εn,s0為相當(dāng)屈服強(qiáng)度。因此靜力韌度表示斷裂前金屬單位體積所吸收的功,可以近似表示為,Sk為材料的真實(shí)斷裂應(yīng)力。以S355為例,由上述各式計(jì)算得出材料不同溫度下的真應(yīng)力、真應(yīng)變和靜力韌度列于表2。2.2材料的延性斷裂韌度在彈塑性條件下金屬的斷裂韌性用J積分來表示。J和積分路徑?jīng)]有關(guān)系,具有守恒性。它還反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能,即應(yīng)力應(yīng)變的集中程度。穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展阻力曲線(R曲線)是在裂紋開始穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展之后,測(cè)量試樣不同的擴(kuò)展量Δa以及它對(duì)應(yīng)的J值,將其繪制出J-Δa曲線。依據(jù)國標(biāo)GB/T21143—2007規(guī)定的試驗(yàn)方法,J0.2BL是利用裂紋擴(kuò)展阻力曲線來測(cè)得材料延性斷裂韌度值。以S355為例,在不同試驗(yàn)溫度下擬合曲線的方程及J0.2BL的值如表3所示。韌脆轉(zhuǎn)變溫度是由于溫度降低造成金屬由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度。不同金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度不同,它越低,表示脆性傾向越小,根據(jù)J-T曲線來確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度,把J=Jmax/2時(shí)的溫度定義為轉(zhuǎn)變溫度。2.3微洞穴與斷裂擴(kuò)展力學(xué)將4種低碳低合金鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度之上的靜力韌度Uk、斷裂韌度J0.2BL以及各自的韌脆轉(zhuǎn)變溫度匯總于表4。分析表4可以看出,Uk和J0.2BL存在線性關(guān)系,將所得的曲線繪制為圖1。通過線性擬合得出4種金屬材料在其韌脆轉(zhuǎn)變溫度之上的靜力韌度和斷裂韌度滿足線性規(guī)律:J0.2BL=163.81+0.18Uk,相關(guān)系數(shù)R=0.987,標(biāo)準(zhǔn)差為3.11kJ/m2。試驗(yàn)證明,在靜拉伸試驗(yàn)出現(xiàn)頸縮時(shí)停止加載,觀察產(chǎn)生頸縮試樣的橫斷面,可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)了很多的微孔洞,實(shí)際有效承載面積減少。在宏觀上,加載力P達(dá)到極致的條件是dP=0=d(FS)=FdS+SdF,dS是由于截面積減少而導(dǎo)致的承載能力的下降,dF是由于形變硬化而導(dǎo)致的承載能力的增加。當(dāng)SdF<FdS,即形變硬化引起的承載能力的升高小于孔洞使有效截面減少引起的承載能力的下降。頸縮出現(xiàn)后,斷面塑性應(yīng)變集中在頸縮部位,微空洞開始聯(lián)接,繼續(xù)加載,頸縮部位的微孔洞相互連接形成微裂紋,進(jìn)而擴(kuò)展直至斷裂。意味著Uk是微空洞大量聯(lián)接直至形成裂紋時(shí)材料吸收的功。再看J積分試驗(yàn)過程,將預(yù)制好疲勞裂紋的試樣進(jìn)行靜載彎曲,預(yù)制裂紋的尖端開始鈍化,裂尖區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變。試驗(yàn)證明,隨著距裂尖距離的增大應(yīng)變減少,而裂尖的靜水張力增大,靜水張力能加速裂尖空洞的生成。當(dāng)靜水分量逐漸增加到大約為1.1δ(δ為裂紋尖端張開位移)時(shí),大量分散的微空洞開始相互連接,繼續(xù)加載時(shí),被靜載鈍化的裂尖前已萌生的裂紋又連接,使裂尖繼續(xù)向前推進(jìn),這是一個(gè)連續(xù)的撕裂過程,與靜拉伸時(shí)頸縮后裂紋的撕裂相似。因而靜拉伸所得的靜力韌度Uk大小直接影響裂紋擴(kuò)展阻力J0.2BL,并且它們之間有良好的線性相關(guān)。對(duì)于本試驗(yàn)中所涉及的4種金屬,隨著溫度的降低,斷裂模式逐漸從韌性斷裂過渡為脆性斷裂,并且,4種金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度差距過大,同等溫度之下斷裂模式不同,得出的數(shù)據(jù)沒有參考意義,因此選取了韌脆轉(zhuǎn)變溫度之上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)斷裂韌度J0.2BL和靜力韌度Uk能很好地滿足線性規(guī)律:J0.2BL=163.81+0.18Uk。2.4斷口形貌隨試驗(yàn)溫度的變化為了更直觀地分析溫度對(duì)斷口的影響,選取4種材料在不同溫度下的SEM照片。結(jié)合材料J-T曲線,分析溫度對(duì)斷口機(jī)制的影響。由于變化趨勢(shì)相似,所以選取S355的J-T曲線來加以說明。圖2是S355鋼斷口隨試驗(yàn)溫度變化的示意圖,在斷裂韌性的上平臺(tái)(-20℃),裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展開始區(qū)域的微觀斷口形貌是韌窩狀,在-100℃時(shí),斷口形貌則是準(zhǔn)解理加晶間斷,而在J-T曲線的轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)則為準(zhǔn)解理加韌窩混合。從而可以說明,在溫度降低時(shí),裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制是逐漸變化的,反映了從高能量的斷裂過程向低能量斷裂過程的轉(zhuǎn)化。3微觀機(jī)制曲線1)韌脆轉(zhuǎn)變溫度之上的斷裂韌度J0.2BL和靜力韌度Uk能很好地滿足線性規(guī)律:J0