沖擊載荷下試樣的試驗(yàn)研究

1試驗(yàn)結(jié)果的測量目前，確定薄材料的耐、耐、脆是一種通用的輔助方法，用于確定樣品的大小。由于試樣處于韌-脆混合斷裂狀態(tài)時(shí),10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣和7.5mm×10mm×55mm及5mm×10mm×55mm輔助小尺寸試樣的寬度變化與沖擊功并非呈線性關(guān)系。將輔助小尺寸試樣的試驗(yàn)結(jié)果按比例換算為標(biāo)準(zhǔn)試樣的試驗(yàn)結(jié)果來確定薄型材料的韌-脆性,是材料力學(xué)性能測試方法研究的問題之一。筆者采用示波沖擊技術(shù),對同一種材料在三種不同試樣寬度下,試驗(yàn)溫度與韌-脆性轉(zhuǎn)變過程的關(guān)系進(jìn)行了研究。2不同沖擊性能試樣的試驗(yàn)過程選用的材料和試樣編號列于表1。每種材料分別加工成10mm×10mm×55mm,7.5mm×10mm×55mm和5mm×10mm×55mm的U型和V型缺口的沖擊試樣。在90～-80℃試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)對三種寬度的試樣分別進(jìn)行了相同溫度和不同溫度的沖擊試驗(yàn)。每種試樣的每個(gè)溫度測試點(diǎn)不少于6個(gè)試樣。試驗(yàn)選用RPSW-150/300型示波沖擊試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)過程中記錄了載荷-撓度曲線(P-δ圖),通過計(jì)算機(jī)處理獲得三種寬度試樣的裂紋形成功(Ei)和裂紋擴(kuò)展功(EP),并進(jìn)行對比分析。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1試樣寬度對脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響對四種材料(1～4號)三種寬度的試樣進(jìn)行一系列不同溫度的沖擊試驗(yàn),3號材料的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1看出,隨著試樣寬度的減小,無論U型缺口或V型缺口試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度都向低溫方向移動(dòng)。這一現(xiàn)象表明,三種寬度試樣的脆性趨勢是不相同的,寬度越小,則脆性趨勢越弱。由圖2可知,試樣寬度與脆性轉(zhuǎn)變溫度(ETT50)具有良好的線性關(guān)系。3.2試樣寬度對ak性能的影響沖擊功隨試驗(yàn)溫度的變化曲線可分為三個(gè)斷裂過程(見圖3)。上述四種材料三種寬度試樣在同一溫度下進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見圖4。可知,當(dāng)試樣為完全韌性斷裂或完全脆性斷裂時(shí),試樣沖擊功處于相對穩(wěn)定的上平臺能或下平臺能的范圍,試樣寬度對aK影響不大,但與沖擊功AK呈線性關(guān)系。當(dāng)試樣為韌-脆混合斷裂時(shí),由圖5可知,aK隨試樣寬度的增加而降低,其變化程度隨鋼種而異;AK隨試樣寬度的變化則呈現(xiàn)無規(guī)律性。四種材料三種寬度試樣的斷口形貌也不相同,如圖6所示(以3號材料為例)。因此,在同一溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)試樣比輔助小尺寸試樣發(fā)生脆性斷裂的趨勢更大,增加試樣寬度所起的作用與降低試驗(yàn)溫度的作用是相同的。3.3輔助小尺寸試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗(yàn)溫度的關(guān)系根據(jù)圖1中試樣寬度減小其脆性轉(zhuǎn)變溫度向低溫方向移動(dòng)的范圍來確定兩種輔助小尺寸試樣各自的試驗(yàn)溫度。在韌-脆混合斷裂區(qū),對試驗(yàn)材料的三種寬度試樣采用三種試驗(yàn)溫度的方法進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。將其中四種材料的試驗(yàn)結(jié)果列于表2。由表2可知,采用三種試驗(yàn)溫度后,試樣寬度與沖擊功基本呈線性關(guān)系,并由表2得到輔助小尺寸試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的試驗(yàn)溫度的關(guān)系:V型缺口T7.5=T10?10T5=T10?20U型缺口T7.5=T10?20T5=T10?40V型缺口Τ7.5=Τ10-10Τ5=Τ10-20U型缺口Τ7.5=Τ10-20Τ5=Τ10-40式中,T10,T7.5和T5分別表示試樣寬度為10mm,7.5mm和5mm時(shí)的試驗(yàn)溫度。由表2還可看出,三種寬度試樣的AK呈下列比例關(guān)系:AK10∶AK7.5∶AK5=1∶3/4∶1/2AΚ10∶AΚ7.5∶AΚ5=1∶3/4∶1/2式中,AK10,AK7.5和AK5分別表示試樣寬度為10mm,7.5mm和5mm時(shí)的沖擊功。因此,根據(jù)輔助小尺寸試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗(yàn)溫度的關(guān)系來調(diào)整試驗(yàn)溫度,用降低溫度的方法來改變由于試樣寬度減小所產(chǎn)生的影響,就可以使三種寬度試樣的AK與試樣寬度呈線性關(guān)系。這樣用輔助小尺寸試樣測得的AK經(jīng)過換算便可變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)試樣的AK。3.4試驗(yàn)溫度、寬度與裂紋擴(kuò)展功的關(guān)系對記錄的示波曲線進(jìn)行分析(以1號材料V型缺口試樣為例,見表3),可以看出,韌-脆混合斷裂區(qū)內(nèi),當(dāng)試樣尺寸相同時(shí),EP隨著溫度的降低而減少,Ei基本保持不變。這時(shí)沖擊功AK的降低主要受EP減少的影響。當(dāng)試驗(yàn)溫度相同時(shí),試樣寬度與Ei呈線性關(guān)系,但EP與試樣寬度不呈線性關(guān)系。隨著試樣寬度的減小,試樣單位變形體上所吸收的裂紋擴(kuò)展功(EP)反而增加。這就是輔助小尺寸試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的AK不能直接比較和換算的根本原因。通過調(diào)整試驗(yàn)溫度后,EP與試樣寬度呈線性關(guān)系(見表4)。文獻(xiàn)的研究表明,缺口半徑對裂紋擴(kuò)展功幾乎沒有影響,裂紋擴(kuò)展功由試驗(yàn)溫度及材質(zhì)因素決定。因此,僅憑AK的大小來評價(jià)材料的韌脆情況是不準(zhǔn)確的,只有裂紋擴(kuò)展功才能較真實(shí)地反映材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。4沖擊試驗(yàn)的材料和方法(1)試樣寬度減小,脆性轉(zhuǎn)變溫度向低溫方向移動(dòng),試樣寬度與脆性轉(zhuǎn)變溫度呈線性關(guān)系。(2)在韌-脆混合斷裂區(qū),輔助小尺寸試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的AK不能相互換算的根本原因是裂紋擴(kuò)展功EP隨試樣寬度的變化不呈線性關(guān)系。(3)使用輔助小尺寸試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn),按照試驗(yàn)溫度關(guān)系式:V型缺口T7.