儀器化沖擊試驗中能量特征值的確定

儀器化沖擊試驗中能量特征值的確定

儀器化沖擊試驗方法對壓力試驗的貢獻之一是對普通影響試驗中測得的影響功能的分解，它不僅意義明確，而且方便地分析和應用材料的脆弱性。新的儀器化沖擊試驗標準化方法中能量的總稱為能量特征值,它包括:沖擊總能量,最大力時的能量,不穩(wěn)定裂紋擴展開始時的能量,不穩(wěn)定裂紋擴展終止時的能量,裂紋形成能量和裂紋擴展能量,共計有6個能量特征值。這6個特征值為分析沖擊過程中能量的變化過程提供了依據(jù),因此它也是人們非常關心和引起重視的問題之一。筆者就如下幾個問題進行分析:①能量特征值的測定;②能量特征值之間的關系;③能量特征值的應用。1裂紋擴展能量的測定按照ISO-14556(2000版)“鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗-儀器化試驗方法”標準規(guī)定,沖擊能量特征的確定方法如下(見圖1):①最大力時的能量Wm—力-位移曲線下,從S=0到S=Sm的面積;②不穩(wěn)定裂紋擴展起始能量Wn—力-位移曲線下,從S=0到S=Siu的面積;③不穩(wěn)定裂紋擴展終止能量Wa—力-位移曲線下,從S=0到S=Sa的面積;④總沖擊能量Wt—力-位移曲線下,從S=0到S=St的面積。關于裂紋形成能量及裂紋擴展能量,理論上認為裂紋在最大力時形成。多數(shù)研究者指出,當沖擊力達到最大力時,裂紋在沖擊試驗缺口處形成,因此把沖擊最大力作為裂紋形成的依據(jù):最大力之前所消耗的能量稱為裂紋形成能量;最大力之后所消耗的能量稱為裂紋擴展能量,其測定方法是:①裂紋形成能量Wi—力-位移曲線下,從S=0到S=Sm的面積,即Wi≈Wm;②裂紋擴展能量Wp—力-位移曲線下,從S=Sm到S=St的面積,即Wp=Wt-Wi[沖擊能量特征值的單位是焦耳(J)]。2析材質的韌脆性上面提到的6個能量特征值需要梳理一下,研究其之間的關系(見圖1)。為了便于分析,將力-位移曲線下的面積,以力特征值為界分為5個部分,稱為基本能量單元:標準中給出的能量由上述5個部分組成:Wm=We+Wd=Wi(1)Wiu=We+Wd+Wp1=Wi+Wp1(2)Wa=We+Wd+Wp1+Wp3=Wi+Wp1+Wp3(3)Wp=Wp1+Wp2+Wp3(4)Wt=We+Wd+Wp1+Wp2+Wp3=Wi+Wp(5)由此可見,沖擊能量特征值中對分析材質的韌脆性有重要作用的有:裂紋形成功Wi、裂紋擴展功Wp和總沖擊能量Wt。裂紋形成功Wi反映了裂紋形成的難易和快慢,它取決于材質的原子間結合力和材質的滑移系的多少。盡管沖擊速度很快,使塑性變形不均勻,由于某些金屬的滑移系、滑移面原子密度和滑移方向原子數(shù)目較多時,但塑性變形仍然會產(chǎn)生。塑性變形從一處轉移到另一處會使變形增加,同時產(chǎn)生形變硬化,使沖擊力增強,因而導致沖擊裂紋形成功增加。從安全可靠角度分析,希望裂紋形成功大一些,使形成裂紋之前消耗能量增加,因此增加了構件的安全性。裂紋擴展同裂紋形成一樣需要時間。裂紋擴展功Wp反映了具有裂紋的試樣在沖擊力的作用下裂紋擴展的快慢。擴展越慢,說明材料的韌性越好。沖擊韌性的大小,主要取決于裂紋的擴展功,尤其是裂紋穩(wěn)定擴展功。有裂紋并不可怕,可怕的是它快速擴展,因為它會造成不可彌補的損失。這種由于脆斷造成重大損失的例子很多。例如,在二次大戰(zhàn)期間,美國的焊接“自由輪”,在使用過程中發(fā)生大量的破壞事故,其中有238艘船完全報廢,19艘船沉沒,均因為鋼的缺口敏感性,大部分是由于低溫脆性造成的。裂紋擴展功的大小,表征了阻止裂紋擴展的能力,裂紋穩(wěn)定擴展功大,說明裂紋擴展比較慢,因此,在材料使用中,它可以事先給出一個安全信息,以防不測。因而在分析沖擊試驗結果時,把裂紋擴展功的大小看得很重要。在一些特殊條件下服役的機件(如炮彈,裝甲板)均承受大能量沖擊,這時總沖擊能量Wt值就是一個很重要的性能指標。對于一些承受大能量沖擊的機件,Wt值也可以作為一個結構性能指標使用,以防止發(fā)生脆斷。3脈沖能量的應用3.1應變應力場和采空點分析眾所周知,用沖擊功Ak作為一個力學性能指標,用來評定材料的韌性存在許多不足之處,為了解決這個問題許多材料科學工作者想了許多辦法。到目前為止,人們用儀器化沖擊試驗機準確地測出力-時間和力-位移曲線,把沖擊功分解成裂紋形成功和裂紋擴展功,才真正的解決了用沖擊功判斷材料的韌脆性。標準中提及:“通過擺錘一次打斷不同鋼件或不同溫度下測出的力-位移曲線,即使力-位移曲線下的面積或者吸收能量相同,如果力-位移曲線的形狀和特征值有所不同,那么試樣變形及斷裂性質也不同。以此可以推斷出關于試樣變形和斷裂特征。”以圖2為例說明這一性質:曲線Ⅰ和曲線Ⅱ下的面積相等,即二者的沖擊吸收總能量相同。但二者所表現(xiàn)的沖擊性能截然不同。曲線I彈性變形功所占比例大,塑性變形功很小,裂紋擴展功幾乎為零,表現(xiàn)出材料斷裂前塑性變形小,裂紋一旦形成就會立即斷裂。斷口將呈現(xiàn)結晶狀的脆性斷裂;曲線II除彈性變形外,塑性變形功所占比例增加,當達到最大力后裂紋生成并產(chǎn)生緩慢擴展,說明試樣斷裂前發(fā)生較大塑性變形,斷口呈現(xiàn)纖維區(qū)為主的韌性斷裂。由此可見,總沖擊能量Wt并不能真正反應材料的韌脆性質,只有其中的塑性變形功,尤其是裂紋擴展功,才能顯示出材料的韌脆性。3.2種抗沖擊試驗結果記憶合金廣泛應用在航空航天及醫(yī)療等諸方面。北航利用數(shù)字化沖擊試驗機,研究了Ti50Ni47Fe3形狀記憶合金相變時的動態(tài)特性。在此之前很少有人進行這方面的研究,對該合金的相變溫度范圍內(nèi)即:-196℃(馬氏體),-55℃(R相),+20℃(奧氏體)三個溫度下的三種組織進行沖擊試驗,結果見表1及圖3。從表1及圖3中不難看出,盡管最大沖擊力提高不十分明顯(僅提高18.6%,但沖擊功提高明顯,奧氏體(A)相沖擊功約為R相的3倍,其中裂紋擴展功表現(xiàn)尤為突出,A相約為R相的10倍。奧氏體相與馬氏體相相比,不論是沖擊力還是沖擊功,提高的比較均衡,均約提高2倍。由此可見,該合金相在室溫下使用(A相)抗沖擊性能可靠性比較好。用這種方法研究記憶合金的記憶功能是一種嘗試,其效果明顯,為今后研究記憶合金功能提供了一種新的方法。4因裂紋擴展沖擊斷口所有能量從斷口的分析可知:沖擊斷口的宏觀形態(tài)由3個要素組成:纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇(見圖4),下面分析這3個區(qū)的形成過程。在文獻中提到:裂紋是在沖擊力達到最大沖擊力時,裂紋在缺口根部出現(xiàn),同時試樣缺口兩側呈現(xiàn)側面收縮。裂紋通常沿兩側和深度方向擴展,中間部分較深。這就是裂紋開始擴展后形成的腳跟形狀的纖維區(qū)。在力-位移曲線圖上相當于從最大力Fm到Fiu之間所消耗的能量。即Wp1=Wiu-Wm。換句話說,由于裂紋穩(wěn)定擴展形成的纖維區(qū)所消耗的能量為Wp1。此后,裂紋開始失穩(wěn)擴展。在斷口上留下的形態(tài)就是放射區(qū)。放射區(qū)形成消耗的能量很小,即我們稱它為撕裂能。它等于Wp3。因為從Fiu下降到Fa是一個很快的過程(標準上稱它為急劇陡然下降),從Fiu到Fa不但所用時間短。而且在力-位移曲線上從Fiu到Fa之間變形也很小。因此一般把這一階段消耗的能量忽略不計。在不穩(wěn)定裂紋擴展終止力Fa(止裂力)之后,裂紋將再次發(fā)生低能量擴展,此時的受力狀態(tài)發(fā)生了變化,由于彎沖的由拉變壓的應力變化,壓應力狀態(tài)較軟,容易引起塑變,因此在Fa以后又產(chǎn)生纖維區(qū)(二次纖維區(qū),視材質和應力狀態(tài)而定)及剪切唇(最后形成的剪切唇,也稱之為鉸鏈)。由此可見,自裂紋開始擴展直至斷裂,這一階段消耗的能量,主要是塑性變形引起裂紋擴展,即裂紋擴展能量(因為形成放射區(qū)的撕裂能很小)。所以斷口的纖維區(qū)大小與裂紋擴展能成比例關系。國標GB/T127791-91“金屬夏比沖擊斷口測定方法”中給出了沖擊試樣斷口晶狀斷面率及纖維斷面率計算公式:CA=(Ac/A0)×100%(6)FA=[(A0-Ac)/A0]×100%(7)式中:Ac——斷口中晶狀區(qū)(放射區(qū))的總面積;A0——原始橫截面積;CA——晶狀斷面率;FA——纖維斷面率(纖維斷面:包括纖維區(qū),剪切唇及鉸鏈)。在研究沖擊斷口的纖維斷面率(FA)與裂紋擴展功(Wp)的關系過程中,文獻給出沖擊值ak的一個關系式:ak=ai+B×FF%(8)式中:ak=Ak/Fv=Wt/So;ai=Af/Fv=Wi/So;B——直線斜率;FF%——斷口纖維區(qū)百分數(shù),即FF%=FA;Ak——沖擊功(Ak=Wt);So——新標準中試樣缺口處原始截面積(So=Fo);Wi——新標準中裂紋形成功(Wi=Af)。把上式寫成:Wt/So=Wi/So*B×FF%(9)Wt=Wi+BSo×FF%Wt-Wi=BSo×FF%Wp=BSo×FF%=C×FF%(10)式中:C=SoB。從式(10)可以看出,裂紋擴展功Wp與斷口纖維斷面率之間呈直線關系。5熟料的沖擊功推行具有體心立方和密排六方的金屬及其合金,特別是工程上常用的結構鋼均會產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象。即當試驗溫度低于某一溫度Tk時,材料將從韌性變?yōu)榇嘈誀顟B(tài),其沖擊功明顯下降。溫度Tk稱為韌脆轉變溫度。系列溫度沖擊試驗是評定材料低溫脆斷的常用方法,這種方法比較簡單,使用的歷史較長,積累了許多經(jīng)驗,常用以下2種方法:(1)能量法將Ak(Wt)值降到某一特定數(shù)值時的溫度定義為Tk。①取1/2Ak沖擊值對應的溫度或取1/2(Akmax-Akmin)沖擊值所對應的溫度;②取工程上規(guī)定夏比沖擊功Ak所對應的溫度。例如船用低碳鋼板,取V型缺口試驗的20J(即15ft-f6);U型缺口300M鋼取49J等。這種方法的問題是:Ak值的大小由使用者決定,多數(shù)是靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)而定。(2)斷口形貌準測法以斷口形貌轉變溫度FATT,通常取沖擊斷口上出現(xiàn)50%纖維斷面率時的溫度FATT50為冷脆轉變溫度。冷脆轉變溫度的確定方法很多,共同的特點是物理意義不明確。例如FATT,它主要反映沖擊斷裂時裂紋擴展過程中斷口形貌在韌脆程度上的差別。而缺口試樣沖擊功Ak,即包括裂紋形成功,又包括裂紋擴展功。沖擊功對缺口尖銳程度敏感,而FATT對缺口尖銳度不敏感;FATT雖然能反映裂紋擴展過程中斷口韌脆上的差別,但不能對裂紋抗力以定量的評估。當FATT溫度相同時,不同材料的裂紋擴展功可能相差很大,而且FATT的測量準確性與測量人員的經(jīng)驗關系很大。為了克服上述2種方法的不足,采用儀器化沖擊實驗測出的裂紋形成功或擴展功作為冷脆轉變的判據(jù)。它能定量、準確的和具有明確物理意義的確定冷脆轉變溫度。以300M鋼為例進行了探索。根據(jù)上面分析,筆者把300M鋼不同試驗溫度測出的沖擊功Ak分解成裂紋形成功Ei和裂紋擴展功Ep,并按照常規(guī)方法把Ak換算成ak,測出的數(shù)據(jù)列于表2。并根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪出300M鋼的能量溫度曲線(見圖5)。在研究鋼材韌脆轉變的標準中,能量法應用普遍。為進行比較,筆者采用如下幾種方法確定300M鋼的韌脆溫度:①取1/2akmax沖擊韌性值對應的溫度為韌脆轉變溫度,用T′k表示;②采用300M鋼技術條件規(guī)定值(49J/cm2)為標準,其對應的溫度用T″k表示;③裂紋形成功Ei,隨試驗溫度降低在某一溫度范圍急劇下降,其取Ei-T0c曲線轉折點所對應的溫度為韌脆轉變溫度,用T0k表示;④裂紋擴展功Ep,在韌脆轉變溫度(用Tk表示)以下時變化較小,在Tk以上時顯著增加,其轉折點所對應的溫度,即為韌脆轉變溫度。用以上4種判據(jù)確定的300M鋼韌脆轉變溫度列入表3。從表3可見,用裂紋形成功Ei及裂紋擴展功Ep作為判據(jù)確定的T0k和Tk與以300M鋼技術條件規(guī)定值為判據(jù)定出的韌脆轉變溫度T″k基本吻合;以1/2akmax作為判據(jù)確定的轉變溫度T′k比上述3種方法測出的溫度低30℃左右。眾所周知,用鋼材技術條件規(guī)定值作為判據(jù),它是根據(jù)材料使用條件提出的,它反映不出材料的韌脆轉變本質。利用1/2akmax作為韌脆轉變判據(jù),由于ak值本身物理意義不明確,同樣也不能反映材料的韌脆轉變本質。相反裂紋擴展功及裂紋形成功代表材料的韌脆性,有明確的物理意義。Ei主要消耗在被沖擊試樣彈性變形、塑性變形及裂紋形成中;Ep主要用于裂紋前沿微觀塑性變形及裂紋擴展。顯然,用裂紋擴展功來描述材料的韌脆轉變更合適。因為它的大小表示裂紋出現(xiàn)后擴展速度的快慢,代表材料韌性的好壞。筆者曾用上述方法對多種材料進行過研究,結果證明用Ep或Ei作為韌脆轉變的判據(jù)是可行的。300M鋼韌脆