黄历锋 分享：试样厚度对结构钢冲击韧性的影响

分享：试样厚度对结构钢冲击韧性的影响

摘 要: 采用冲击试验及扫描电镜分析等方法研究了室温下试样厚度对 U165和 Q275结构钢 夏比摆锤冲击吸收能量的影响。结果表明:相对较薄的试样不存在冲击载荷突降现象,但试样厚度 为20mm 的 Q275钢的冲击载荷突降高达80%以上;当试样厚度≤10mm 时,冲击吸收能量随试 样厚度的增加总体呈线性变化,但不同材料冲击吸收能量随厚度变化的比例系数显著不同;当试样 厚度>10mm 时,冲击吸收能量随厚度增加偏离了线性规律;此外,随着厚度的增加,不同材料冲 击吸收能量的增量和断口形貌显著不同,这归因于材料的冲击韧性及其冲击断裂机制不同。对于 厚度不满足标准试样的材料,标准试样的冲击吸收能量可通过测试不同厚度的非标试样,然后再用 拟合公式计算得到。

关键词: 结构钢;冲击吸收能量;试样厚度;断口形貌

中图分类号:TG113.25+4 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)07-0018-05

钢材的力学性能如强度、韧性等被视为衡量材 料结构安全的重要指标。冲击韧性能够反映材料经 受冲击载荷时抵抗断裂的能力,揭示了材料的变脆 倾向,在工程实践中具有重要意义。

材料的冲击韧性与其微观组织及所在的服役环 境密切相关,主要包括晶粒尺寸[1]、第二相颗粒含量 和分布[2]、工件尺寸[3-4]、材料加工的热处理方式[5-6] 以及温度[7-8]等,其中工件尺寸对钢材脆性和韧性测 量结果有显著的影响[9-10]。研究结果表明:当试样 具有相对较大的横截面时,其往往呈现脆性断裂;当 试样具有相对较小的横截面时,其倾向于呈现韧性断裂,这是因为不同尺寸的试样具有不同的应力状 态,其中工件的长度和宽度对材料脆性和韧性的影 响相对较小,所以尺寸通常指工件的厚度[9]。

在实际应用中,许多材料尺寸较小,不能满足 GB/T229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方 法》、GB/T19748-2005 《钢材夏比 V 型缺口摆锤 冲击试验仪器化试验方法》、GB/T2650-2008 《焊 接接头冲击试验方法》对冲击试样尺寸的要求,如许 多新型纳米结构金属、金属玻璃以及石油钻杆所使 用的超高强度钢级 V150及 U165等,很难达到冲击 试样的标准尺寸[10-11]。研究不同厚度的试样与标 准试样冲击吸收能量之间的相关性,对工程材料的 选材、设计以及确保材料安全服役都具有重要意义。

1 试验材料及方法

试验材料为超高强度钻杆钢 U165和普通正火 钢 Q275,同时 引 用 了 文 献 [3]中 20 钢 的 数 据,与 U165钢和 Q275钢的试验结果进行对比分析,3种 钢的力学性能如表1所示,夏比 V 型缺口试样和平 行试样均为3个。根据 GB/T229-2020,U165钢 级钻杆因管材壁厚限制,不能获得厚度为10mm 的 标准 试 样,冲 击 试 样 采 用 厚 度 分 别 为 2.5,5, 7.5mm 的小尺寸试样,其他维度尺寸保持不变,长 度为55mm,宽度为 10 mm;Q275 钢原材料为板 材,冲击试样除了厚度为2.5,5,7.5 mm 的小尺寸 试样和厚度为10mm 的标准尺寸试样外,增加了厚度分别为15,20mm 的补充试样,其他维度尺寸保 持不变。冲击试验采用 NI500C 型数字显示冲击 试验机进行冲击试验,断口利用JSM-6390型扫描 电子显微镜(SEM)进行观察和分析。此外,GB/T 700-2006《碳 素 结 构 钢》对 试 样 厚 度 为 10,7.5, 5mm 的 Q275钢的冲击吸收能量值的要求分别是 不低于27,20,13.5J。U165钢属于超高强度钻杆 钢级,相关标准目前尚在制订中。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织分析

U165钢的显微组织晶粒尺寸很小,在光学显 微镜下较难识别[见图1a)],用 SEM 将其显微组织 放大至10000 倍,确定其显微组织为回火索氏体 [见图 1b)],该 组 织 通 常 具 有 良 好 的 综 合 性 能。 图1c)为 Q275钢的显微组织,其中深色为珠光体, 浅色为 铁 素 体,其 中 铁 素 体 含 量 (体 积 分 数)约 为 80%,用SEM 将其显微组织放大至10000倍,可以 观察到珠光体、深色铁素体和浅色渗碳体呈片层状 交替分布[见图1d)]。

2.2 试样厚度对位移-载荷曲线的影响

试样厚度t对结构钢的冲击吸收能量具有显著 影响,U165钢和 Q275钢在不同厚度下的位移-载荷 曲线如图2所示。由图2a)可知:对于 U165钢来说, 当载荷达到最大值后,t=2.5mm 的试样载荷随着摆 锤位移的增加下降均匀;当t=5mm 时,试样承受的 载荷发 生 突 降,如 图 2a)中 的 A 点 所 示,载 荷 从 10849.7N突降到10157.4N;当t=7.5mm 时,载 荷 下 降 得 更 快,载 荷 从 15 100.6 N 突 降 到 10665.6N,如图2a)中B点所示。载荷突降意味着 冲击裂纹迅速扩展,即裂纹前端的塑性变形不能舒 缓裂纹尖端的应力集中,发生裂纹急剧增加;由于裂 纹沿晶体平面扩展,很少发生塑性变形,从而宏观表 现 为 解 理 断 口,耗 散 较 少 能 量。 由 图 2b)可 知: Q275钢试样 厚 度 与 U165 钢 具 有 相 似 的 趋 势,即 t=2.5mm 的试样也未出现载荷突降现象,当t= 20mm 时,载荷从28755.6N 突降到4610.9N,突 降幅度达最高载荷的80%以上。

2.3 试样厚度对冲击吸收能量的影响

冲击吸收能量是衡量材料韧性的一个重要指 标,表征了材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形能 量和断裂能量的能力。超高强度钢 U165、普通结 构钢 Q275及20钢随试样厚度的增加,其冲击吸收 能量的变化如图3所示。由图3可知:当t≤10mm 时,冲击吸收能量随试样厚度的增加总体呈线性增 加趋势,然而当t>10mm 时,则不再呈线性变化; 同时还可观察到,对于同一种材料,试样厚度增加的 倍数与冲击吸收能量增加的倍数并非一致,如超高 强度钢 U165试样厚度增加了1倍,冲击吸收能量 增加了近3倍,这是因为 U165钢厚度的增加使其 不仅能承受更高的载荷,且可以发生更充分的变形, 使得预制的 V 型切口整体开裂,对应的位移显著滞 后(相对同一材料更薄的试样),从而在更高载荷下, 能消耗更多的能量;同时也发现,尽管3种钢材的力 学性能不同,但3种钢材在相对较小厚度下的冲击 吸收能量没有明显的区别,这是因为试样厚度决定 了材料的应力状态,当试样厚度较小时,试样受力更 倾向于平面应力状态,试样两侧更容易自由收缩,因 此更易发生塑性变形,相比厚度更大的试样,薄试样 塑性变形能量所起的作用更大,导致不同材料冲击 吸收能量区别不大。当试样厚度相对较大时,由于 不同材料的断裂韧性不同,厚度对应力状态的影响 会越来越显著[12]。

由于 U165钢相比于 Q275钢具有更好的冲击 韧性和更高的屈服强度,所以具有更好的断裂韧性。 U165钢和 Q275钢试样在不同厚度下的冲击断口 形貌如图4,5所示。由图4,5可知:相比断裂韧性好 的 U165钢,断裂韧性较差的 Q275钢试样在相同厚 度(t=7.5mm)下更倾向于呈现为平面应力状态;当 t=2.5mm 时,U165钢和 Q275钢的宏观断口形貌只 有纤维区和剪切唇区,微观断口形貌呈现为较均匀的 韧窝;当t=5mm 时,U165钢的断口为韧性断口,宏 观形貌只有纤维区和剪切唇区,微观形貌呈现为韧 窝,但大小不一,分布不均匀,而 Q275钢的断口出现 放射区,微观形貌呈现为解理断口,部分解理面超过 60μm,与图1c)中 Q275钢的晶粒尺寸具有对应关 系;当t=7.5mm 时,U165钢仅有少部分解理断口, 而 Q275钢几乎完全为解理断口,且 U165钢的解理面相比 Q275钢更小,小于 Q275钢的1/5。这是因为 U165钢的显微组织为回火索氏体,没有整块大的铁 素体和珠光体晶粒,而是由极其细小的渗碳体颗粒均 匀分布在铁素体基体上构成[13]。

通过以上分析可知:标准试样及不同尺寸试样 的冲击吸收能量具有明显的尺寸相关性,但不能根 据试样厚度按比例计算,根据图3所示数据进行线 性拟合,得到 U165钢、20 钢、Q275 钢的冲击吸收 能量估算公式分别如式(1)~(3)所示。

式中:CVN,t 是试样厚度为t(t≤10mm)时的夏比冲 击吸收能量。

由式(1)~(3)可知:每种材料的厚度-冲击吸收 能量的相关系数不同,该系数由材料的显微组织、晶 粒尺寸等本征属性决定,定量分析比较困难,但可以 通过不同尺寸非标厚度试样的冲击吸收能量进行确定,也避免了传统按比例估算冲击吸收能量偏差较 大的缺点。例如,根据式(1)可以估计 U165钢标准 试样的冲击吸收能量为138.5J。

3 结论

(1)随着试样厚度的增加,冲击载荷突降趋势 越来越显著,相对较薄的试样几乎没有冲击载荷突 降现象,但试样厚度为20mm 的 Q275钢的冲击载 荷突降高达80%以上。

(2)当试样厚度≤10mm 时,冲击吸收能量随 试样厚度的增加总体呈线性变化,且不同材料冲击 吸收能量随厚度变化的线性系数显著不同。当试样 厚度>10mm 时,冲击吸收能量随厚度的增大偏离 线性规律。

(3)随着厚度的增加,不同材料冲击吸收能量 增量和断口形貌的变化不同,这一方面归因于不同 材料具有不同的力学性能,另一方面归因于不同厚 度试样的受力状态差异导致其断裂机制不同。

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<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 7期 (pp:18-22)>

2024年9月6日（农历八月初四）癸酉日 黄历宜忌

黄帝纪元

公元2024年09月6日=黄帝纪元4721年

黄帝纪年，是根据黄帝即位以及创制历法的时间开始纪年。大量历史典籍记载是黄帝打败革尤后统一天下后命人所制定的历法。

宜

祭祀

指词堂之祭祀、即拜祭祖先或庙寺的祭拜、拜神明等事。

祈福

祈求神明降福或设醮还愿等事。

修造

也就是阳宅的修造与修理。

动土

以前是指新的地盘利用工具去挖泥土，现今可指在屋内装修时，某些墙壁要钻孔。

竖柱

架马俗称起工架马;指建筑场所之鹰架。

上梁

装上建筑物屋顶的大梁，西式建筑指屋顶之灌浆(预拌混凝土)。

入殓

入殓就是将尸体放入棺材之意。

合脊

装盖房屋的屋顶等工作。

起基

犹奠基。

破土

仅指埋葬用的破土、与一般建筑房屋的"动土”不同，“破土“属阴宅，“动土"属阳宅也。

安葬

也就是葬礼,举行埋葬仪式等。

忌

出火

谓移动神位,「火」指「香火」而言。

开光

神佛像塑成后、供奉上位之事。

出行

指外出旅行、观光游览。

赴任

走马上任。当官的好日子。

冲煞：

鸡日冲兔（酉卯相冲）煞东

冲兔日将冲到所有的兔，酉卯相冲，即兔和鸡相冲建本日地支为酉鸡，兔为被冲的生肖，按传统黄历的观点，本日对于属兔的人不太有利，不宜做重大事，比如嫁娶、开业、求财、竖造、祈福等。本日煞东，属兔的人向东方行事要小心。

值神

古人认为每天都有一个星神值日,如果遇到青龙、明堂、金匮、天德、玉堂、司命六个吉神值日,诸事皆宜,称为黄道吉日。如果遇到天刑、朱雀、白虎、天牢、玄武、勾陈六个凶神当道或遇到天象异常如日食、月食、日中黑子、 彗星见、变星见、陨石坠落等,这一天就是不吉利的,称为黑道凶日。

玄武

玄武四象之一,其形为龟，或龟蛇合体,位于北方,属水,色黑。此处代表欺诈、不实。该时辰容易被骗、易买到假货等。

五行

今日的日柱干支。

剑锋金

剑锋金剑锋金如利剑之锋,已受过干锤百炼,剑光万丈剑气逼人，特性:刚毅、果断、沉稳、才能卓越能人所不能，有自我突破、自创局面的本事有鸿?之志,志气大, 口气也大。为目的不念感情,为激进不怕招怨缺点是无情冷酷,锋芒外露,要注意侧面的袭击。硬物虽坚,亦有其脆弱的一面最怕丙寅丁卯炉中火、戊午己未天上火、戊子己丑霹雳火建议,利能断金,忌锋芒毕露,易惹小人怨,恐招沟陷。要知利剑不能轻易出鞘之理,韬光养晦,逸不露，要眼观四方,耳听八方,不要一味激进,赶尽杀绝,而忌了背后及侧面,座右铭是:毋毁众人之名,以成一已之善毋埋天下之理，以护一已之过事当快意处须转言到快意处须住物忌全胜事忌全美人忌全盛行运。

吉神

宜接近,会有吉利的神明,吉神或凶神通称为神煞,一般代表的是天干地支特殊组合的关系,有年、月、日、时四类神煞。

月恩

宜祈福、斋醮、上官、移徒、订婚、嫁娶、造葬,百事皆吉。

四相

宜祭祀、上官、订婚、纳采、嫁娶、造、修宅、上梁吉。

官日

上官赴任的好日子。

六仪

六仪,是为小节。一日祀祭之容,二日宾客之容,三日朝廷之容,四日丧纪之容,五日军旅之容,六日车马之容。适宜各类仪式。

益后

宜祭祀、祈福、求嗣、订婚、嫁娶、修作、造葬,百事皆吉。

除神

适合打扫卫生、理发、沐浴等。

玉堂

玉堂玉饰的殿堂,亦为宫殿的美称,宋以后翰林院亦称为玉堂。引申为豪华、高档住宅、贵人居所。宜修宅、造宅、安床、开仓、作灶、入宅吉。

鸣吠

鸡鸣犬吠之意，民间鸡叫和狗叫有避邪的意思,特别适合开光。

凶神

应远离，会有冲犯不好的事发生的神明,吉神或凶神通称为神煞，一般代表的是天干地支特殊组合的关系，有年、月、日、时四类伸煞。

劫煞

劫煞别名年夜耗,古歌云:劫煞为灾弗成当,枉然驱驰名利场,须防祖业尽灭亡,老婆若何得悠久。

月建

不宜修造、起工、动土极凶,宜避之。

小时

犯之令小儿肚胀,泻痢。

土府

忌种植、起造、动土等事。

月刑

忌修造、词讼、出阵、行军、嫁娶、移徒、犯之主损人丁、六畜,凶日。

厌对

对冲为厌对。主鬼神、妨婚姻。

招摇

忌出行、移居、词讼。

五离

忌嫁娶、订婚、安床、会亲友凶。

胎神

古老的传说中，一直有所谓的胎神存在,黄历上可见胎神的项目，胎神是保护胎儿的神明，与胎儿的成长安危息息相关,因此胎神每日的位置所在,就不可以随意敲打或者移动物件，会让胎神不高兴,使得胎儿不利,甚至造成胎儿流产。

房床门外西南

孕妇卧室之外的西南方位。

彭神

指天干地支记日中的某日或者当日里的某时不书要做某事否则会发生某事。

癸不词讼理弱敌强

逢癸日或逢癸时不能诉讼之事,违之将可能引起败诉之果。

酉不会客醉坐颠狂

逢酉日或逢时不能宴请客人或去赴宴。

建除

指建、除、满、平、定、执、破、危、成、收、开、闭。在农历中值星即以此十二字为序周而复始观其所值，以定吉凶。

除日

为除旧布新之象。除服、疗病、避邪、出行、嫁娶都是好日子，如有久病想找个日子换医生试试不妨选择除日，效果甚佳。不可嫁娶、埋葬、开井、求官、上任、开张、搬家。逢除日不到上司家，以免吃力不讨好，新官上任更不可选在除日，以免官运受阻，断送前程。

星宿

又名为二十八舍或二十八星，它把南中天的恒星分为二十八群，且其沿黄道或天球赤道(地球赤道延伸到天上)所分布的一圈星宿。它分为四组,又称为四象、四兽、四维、四方神，每组各有七个星宿。

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娄星修造起门庭,财旺家和事事兴,外进钱财百日进,一家兄弟播高名,婚姻进益生贵子,玉帛金银箱满盈,放水开门皆吉利,男荣女贵寿康。

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