初始損傷對鋼缺口試樣解理斷裂韌性的影響

1、初始損傷對鋼缺口試樣解理斷裂韌性的影響馬 進（浙江廣廈建設職業(yè)技術學院 信息與控制學院，浙江 東陽 322100）摘 要：先通過對三種材料組織的缺口試樣在常溫下進行四點彎曲正反彎實驗，而后進行高溫回火處理。隨后在-196低溫下進行彎曲斷裂實驗以及力學參數測量和微觀觀察。研究表明，材料A和C隨預加載荷比P0/Pgy的增加，材料中的初始損傷量增加，從而使材料的缺口解理斷裂韌性降低。其原因是初始損傷的長條形孔洞附近產生了局部高應力應變集中，促使了解理斷裂過程的進行。細晶粒A 材料的初始損傷量大，韌性下降幅度大。對于材料B，初始損傷主要為小尺寸的球形孔洞，并且其損傷量遠小于材料A和C，故B材料的缺口解

2、理斷裂韌性幾乎不隨預加載荷比變化。關鍵詞：初始損傷 解理斷裂 韌性 缺口試樣 鋼Effects of Initial damnification On Cleavage Fracture Toughness of Notched Specimens with Different Microstructure of SteelsMa Jin(College of Information and Computer, Guangsha College of Applied Construction Technology; Dongyang322100, Zhejiang)Abstract: In t

3、his paper, series of four point normal and reverse bending experiments are carried out on the three heat-treat microstructures of two steels, which introduce different levels of micro-cavity damnification. The residual stress and work hardening are removed by tempering the specimens at high temperat

4、ure. Then the specimens are fractured by four point bending at a low temperature of 196. By measurement of mechanical parameters and microscopic observation, the effect of initial damnification on the cleavage fracture toughness of notched specimens with different microstructures of steels are exper

5、imentally investigated. The experimental results show that for material A and C, the level of damnification increases with the increase of the pre-load ratio Po/Pgy, which makes the notched cleavage fracture toughness decreasing. The reason for this is that there is local high stress and strain conc

6、entration around the big string voids, which promote the cleavage fracture process. The material A with fine grains has a large amount of initial damnification and a large decreasing amount of toughness. For material B, the initial damnification voids are mainly little spherical shape voids, and its

7、 damnification amount is largely less than of the material A and C. So the cleavage fracture toughness of the material B does not change with the Po/Pgy.Key words: initial damnification; cleavage fracture; toughness; notched specimen; steel1 引 言材料在制備、加工過程中通常會引入各種初始冶金缺陷, 如微裂紋、微孔洞和夾雜物等, 同時會形成不均勻的細觀組織結

8、構。這些材料在一定環(huán)境下受載使用過程中，這些初始冶金缺陷會擴展,合并, 同時其不均勻的細觀組織結構中由粗大晶粒,第二相或夾雜物構成的薄弱組元在細觀應力,應變的作用下不斷地萌生出微裂紋,微孔洞。上述這種材料在制備、加工過程中引入的各種初始冶金缺陷和后來在使用過程中不斷萌生,長大的細觀缺陷,我們可統(tǒng)稱為初始損傷。其損傷基元包括各種尺寸和形態(tài)的微裂紋,微孔洞,剪切帶及相界面裂紋等。這些初始損傷基元在材料后續(xù)受載使用過程中不斷擴展,合并和相互作用, 在宏觀層次上影響材料的整體承載能力和加工硬化行為; 在細觀層次上改變了材料細觀組元中的局部應力分布, 這些都會影響到材料隨后的變形,損傷和斷裂的過程, 從

9、而對材料的后續(xù)力學性能, 如韌性,強度,塑性和剛度等產生很大影響, 進而對材料和結構的安全服役性及剩余壽命產生很大影響。因此需要就損傷對材料力學性能的影響及機理進行深入的研究。但這方面的工作相對較少, 近年來有限的幾項代表性工作主要包括: (1) 塑性損傷對復合材料彈性模量,強度,流動應力,拉伸延性和斷裂韌性的影響1 ?，F已發(fā)現較大塑性應變時增強粒子的斷裂或從基體的剝離造成的損傷降低了復合材料的彈性模量,強度,流動應力和拉伸延性。但這些損傷也降低了裂紋前端的應力水平, 有增加復合材料斷裂韌性的作用。(2) 疲勞損傷對鋼和復合材料斷裂韌性的影響 2 。 研究表明: 隨著疲勞峰值應力和疲勞循環(huán)次數

10、的增加,材料的斷裂韌性降低, 對于不同熱處理狀態(tài)及不同微觀組織的材料降低的程度不同。(3) 焊接加工中產生的初始蠕變損傷對CrMoV鋼焊接熱影響區(qū)沖擊韌性的影響3。結果表明: 蠕變損傷較低時(蠕變孔洞低于15%), 對韌性基本沒有影響; 蠕變孔洞損傷較高時,鋼的韌性降低。關于鋼的解理斷裂行為已進行了許多研究4, 然而關于微孔洞初始損傷對鋼的解理斷裂行為的影響還很少有研究報道。這里筆者對初始損傷對兩種鋼通過熱處理后獲得的不同組織的缺口試樣解理斷裂韌性的影響進行研究。2 實驗材料與實驗方法2.1 實驗材料實驗材料為16MnR熱軋鋼和WCF-62低合金高強鋼。16MnR鋼的化學成分(質量分數)為0.

11、18%C，1.40%Mn，0.36%Si，0.018%S和0.02%P。WCF-62鋼的化學成分 (質量分數)為0.06%C，1.36%Mn，0.23%Si，0.009%S，0.02%P，0.21%Mo和0.19%Cr。16MnR鋼中含有較多的軋制的長條形MnS夾雜物，WCF-62鋼較為純凈，雜質元素和夾雜物含量低。對上述兩種鋼進行熱處理得到不同組織的A，B，C三種材料：（1）材料A：將16MnR鋼加熱至900，保溫2h，再空冷后得到的材料，組織為鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒平均尺寸是14.9m。（2）材料B：將WCF-62鋼加熱到950，并經保溫45min，爐冷后得到的材料，組織為鐵素體和珠光

12、體，鐵素體晶粒平均尺寸是22.8m。（3）材料C：將16MnR鋼的試樣加熱到950，保溫7h，爐冷后得到的材料，組織為鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒平均尺寸是27.4m。2.2 實驗方法采用Griffith-Owen5四點彎曲（4PB）缺口試樣。在常溫下在SHIMADZU AG-10TA萬能試驗機上進行不同預載荷(P0)的正向四點彎曲(張開缺口)加載，以引入不同的微孔洞損傷量;而后再反向彎曲（閉合缺口）加載，使缺口尺寸恢復到原始尺寸,以消除缺口尺寸對后續(xù)加載時韌性的影響。對這些預加載的試樣（包括3個未預加載的試樣）進行650保溫2h的高溫回火處理以消除預加載時引入的殘余應力和加工硬化，保持相同的顯

13、微組織,分離出損傷因素。而后對這些試樣在196的低溫下進行四點彎曲解理斷裂試驗, 測量斷裂載荷Pf。對解理斷口在掃描電子顯微鏡（SEM S-520）下進行仔細觀察，通過河流紋走向尋找起裂源，判定起裂源性質。3 結果與討論圖1圖3為A、B、C三種材料表征低溫解理斷裂韌性的平均Pf/Pgy(Pf為斷裂載荷, Pgy為整體屈服載荷)隨預載荷比P0/Pgy的變化。 圖1 A材料Pf/Pgy平均值隨P0/Pgy的變化 圖2 B材料Pf/Pgy平均值隨P0/PgyP的變化圖3 C材料Pf/Pgy平均值隨P0/Pgy的變化由圖1可見，對于材料A，當P0/Pgy0時，即試樣沒有預損傷時，表征低溫缺口韌性的參數

14、Pf/Pgy的值最大。隨著預載荷比P0/Pgy的增加， Pf/Pgy逐漸降低。并且當P0/Pgy <0.861時，Pf/Pgy的值下降較慢；P0/Pgy>0.861后， Pf/Pgy的值下降較快。由圖2可見，B材料的Pf/Pgy的平均值基本不隨預損傷載荷比P0/Pgy變化，即隨著預損傷載荷比P0/Pgy的增加，材料B的韌性幾乎不變。由圖3可見，C材料的Pf/Pgy的值在P0/Pgy<0.861內基本不隨P0/Pgy變化；而當P0/Pgy>0.861后，隨P0/Pgy的增加，Pf/Pgy的值迅速降低。圖4(a)、(b)、(c)為三種材料試樣的解理斷口，通過調整反差/對比度

15、6突出初始損傷孔洞(黑色)的典型照片。由圖可見，A材料初始損傷形態(tài)主要為條形孔洞和球形孔洞；B材料主要為球形孔洞；C材料與A材料同樣為條形和球形孔洞，但條形孔洞的量較少，尺寸較小。 (a) A材料 (b) B材料(c) C材料 圖4 三種材料的初始損傷孔洞形態(tài) 圖5 三種材料的fa隨P0/Pgy的變化圖5為從圖4所示的照片上測量的三種材料的初始損傷孔洞面積分數fa的平均值(損傷量)隨P0/Pgy的變化。由圖5可見，材料A與C的損傷量fa隨預載荷比P0/Pgy的變化規(guī)律基本相同。即當P0/Pgy=0，也就是材料沒有經過預加載時, 損傷量最小，此時的fa反映了16MnR鋼中初始夾雜物的面積分數，其

16、值為0.0020左右。隨著P0/Pgy的增加，材料中的損傷量fa增加。對材料A和C而言，當P0/Pgy0.861時，損傷量fa隨P0/Pgy的增加而略有增加，其增加速率很慢。而當P0/Pgy0.861后，材料A和C的損傷量fa隨P0/Pgy的增加而迅速增加。在相同的預加載荷比P0/Pgy下，材料A中的損傷量明顯高于材料C，即細晶粒材料A易于產生損傷，對預載荷下的損傷比較敏感。對材料B而言，當P0/Pgy=0，損傷量fa的值為0.0018。此值比材料A和C的值均要低，原因為材料B( WCF-62鋼)，較材料A和C(16MnR鋼)純凈，其所含雜質較少。隨著預加載荷比P0/Pgy的增加，材料B的損傷

17、量fa也增加。但在相同的載荷比P0/Pgy下，材料B的損傷量低于材料A和C。由圖1圖3和圖5比較可以看出：材料A和C的低溫解理斷裂韌性Pf/Pgy隨預載荷比P0/Pgy的增加而降低的結果是由材料預加載時引入的初始損傷（圖4）所引起的，隨初始損傷量fa的增加，韌性下降的程度增大。材料B的解理斷裂韌性基本不隨P0/Pgy變化，與材料B的初始損傷量最小，且其初始損傷孔洞為球形有關。圖6圖8的斷口觀察結果可進一步說明初始損傷孔洞的形態(tài)和損傷量對低溫解理斷裂韌性的影響。 大多數A材料試樣的解理斷裂起源于大尺寸的條狀MnS孔洞前端（圖6（a）和(b)中的黑色長條形缺陷前端）。說明長條形的初始損傷孔洞促使了

18、解理起裂,其原因是條形孔洞前端或旁邊產生較高的局部應力應變集中，使解理裂紋形核條件PPC和裂紋擴展條件yy f容易滿足。隨P0/Pgy增加，條狀大尺寸缺陷的量及尺寸增加，對應的損傷面積分數fa也增加，使解理起裂的幾率增加，解理發(fā)生在更低的Pf下。這是初始損傷引起缺口韌性參數Pf/Pgy隨預加載荷比的增加而降低的細觀原因。 （a） (b) 圖6 A材料解理起裂的典型斷口照片 (a) (b)圖7 B材料解理起裂的典型斷口照片 (a) (b)圖8 C材料解理起裂的典型斷口照片B材料的解理起裂大多由球形夾雜物/孔洞引發(fā)，如圖7所示（圖7(b)為圖7（a）起裂源的放大）。而球形夾雜/孔洞周圍引起的應力、

19、應變集中比長條形孔洞小，并且材料B的損傷量fa（孔洞的尺寸和數量）遠小于材料A和C（圖5），故B材料的缺口韌性幾乎不隨預加載荷P0/Pgy的增加而變化。C材料的解理起裂有長條形孔洞引起的情形（圖8(a)），也有球形孔洞引起的情形（圖8(b)）。并且隨P0/Pgy的增加條形孔洞引發(fā)解理的情形增加。這是其P0/Pgy增加到較大值時，缺口韌性參數Pf/Pgy下降的原因。上述材料B和C的比較表明：基體晶粒尺寸相近的條件下，條形夾雜物量多、尺寸大的C材料在預加載（或加工）中易產生多量的初始條形孔洞損傷，使解理韌性下降幅度大。所以在材料設計和制備中，應盡可能減少夾雜物的尺寸和數量，并設法使大尺寸的條形夾雜

20、物變?yōu)樾〕叽绲那蛐螉A雜物。在材料的選擇、加工和使用中，應選擇夾雜物少的材料；對于夾雜物多的材料不宜應用在產生較大預加載變形的情況中。上述材料A與C的比較表明：材料成分和夾雜物相同時（同為16MnR鋼），細晶粒A 材料比粗晶粒C 材料對初始損傷的敏感度大，即在同樣的P0/Pgy下，細晶粒A 材料的初始損傷量大、缺陷尺寸大，從而導致了A 材料的解理韌性在低P0/Pgy時開始下降，且下降幅度大。這表明，盡管細晶材料在沒有預損傷時具有較高的解理韌性，但是在加工中易產生初始損傷缺陷，從而使解理韌性降低。因此對于需要經過大載荷、大變形預加工后使用的材料與結構，不宜選用晶粒很細、強度很高的鋼。4 結 論結論

21、可作如下表述:（1）材料A和C缺口試樣解理斷裂韌性隨預載荷比P0/Pgy的增加而降低。其原因為隨P0/Pgy增加，缺口前長條形初始損傷孔洞的數量增多,尺寸增大(即損傷量fa增加), 在孔洞前端產生的局部高應力應變集中促使了解理起裂。B材料的初始損傷主要為小尺寸的球形孔洞，并且其損傷量fa（孔洞的尺寸和數量）遠小于材料A和C，故B材料的缺口解理斷裂韌性幾乎不隨預加載荷比變化。（2）成分和夾雜物相同的材料A和C相比，細晶粒A 材料比粗晶粒C 材料對初始損傷的敏感度大，即在同樣的P0/Pgy下，細晶粒A 材料的初始損傷量大、缺陷尺寸大，從而導致了A 材料的解理韌性下降幅度大。（3）材料B和C的比較表明：基體晶粒尺寸相近的條件下，條形夾雜物量多、尺寸大的C材料在預加載中易產生多量的初始條形孔洞損傷，使解理韌性下降幅度大。參考文獻:1Kiser M T，Zok F W，Wilkinson D S. Plastic Flow and Fracture of a Particulate Metal Matrix CompositeJ. Acta Mater, 1996， 44(12): 3465-3476.2Ozturk A.The Influence of Cyclic Fatigue Damage on the Fracture Toughness