金属材料冲击功影响因素分析

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1、 金属材料冲击功影响因素分析 杨中桂 工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定规定形状 和尺寸的试样在冲击试验载荷一次作用下折断时所吸收的功。 一般把冲击功值低的材料称为 脆性材料，冲击功值高的材料称为韧性材料。在材料的各项机械性能指标中，冲击功是对材 料的化学成分、冶金质量、组织状态、内部缺陷以及试验温度等比较敏感的一个质量指标， 本文分析了冲击功的物理意义和影响冲击功的因素，指出了冲击功在工程实际中的几项应 用，并就冲击功指标的选取提出了建议。 1 冲击功的测定和物理意义 1.1 冲击功的测定 冲击功通常是在摆锤式冲击试验机上测定的， 摆锤冲断带有缺口的试样所消耗

2、的功称为 冲击吸引功。目前我国采用的冲击试验标准是 GB/T 229-2007（金属材料夏比摆锤冲击试验 方法） ，试样的缺口形式有 U 形和 V 形两种，V 形缺口根部半径小，对冲击更敏感。该试验 标准规定了两种摆锤刀刃半径，分别为 2mm 和 8mm，其冲击功分别用 KU2、KU8或 KV2、 KV8表示。图 1 为夏比 V 型缺口冲击试样的外形尺寸图。 图 1 夏比 V 型缺口冲击试样的外形尺寸图 1.2 冲击功的分解 冲击试验测出的冲击功缺乏明确的物理意义， 不能作为表征金属结构件实际抵抗冲击载 荷能力的判据， 只能相对近似地表征金属抵抗已经发生断裂的再扩展能力。 从 20 世纪 60

3、-70 年代开始科学工作者利用示波冲击机测定冲击力-位移曲线来分解冲击功，解决了冲击功物 理意义不明确的问题。 众所周知，功是物体在力作用下沿力的作用方向产生的位移与力的乘积，那么冲击力- 位移曲线下的面积就等于冲断试样所消耗的冲击功。如图 2 所示，冲击功 Wt可分解成 3 个 部分： Wt=We+Wd+Wp （1） 式中： We是消耗在试样弹性变形时的弹性变形功； Wd是裂纹形成前消耗于试样塑性变形时的塑性变形功； Wp消耗在裂纹形成后裂纹扩展时的功，即裂纹扩展功。 图 2 冲击力-位移曲线 冲击功也可分为两个部分：一部分为裂纹形成功：WI=We+Wd，它主要消耗在试样的弹 性变形、塑性变

4、形及裂纹形成上；另一部分为裂纹扩展功 Wd。因此式 1 又可以写成： Wt=WI +Wp （2） 1.3 冲击功的物理意义 材料的总冲击功数值上没有明确的物理意义， 其大小不能真正反映材料的韧脆倾向。 对 于不同的材料，其冲击功 Wt可能相等，但是它们的弹性变形功、塑性变形功及裂纹扩展功 三者所占的比例相差可能很大，从而表现出它们之间的韧脆性不同。 图 3 所示的三种材料的冲击力-位移曲线反映出它们在冲击性能上的差异。材料 A 弹性 功所占的比例很大，塑性变形功很小，裂纹扩展功几乎为零，说明该种材料断裂前塑性变形 很小，裂纹一旦形成，就立即扩展直至断裂，显示出材料的脆性。材料 B 塑性变形功和

5、裂 纹扩展功有所增加，当裂纹扩展到一定尺寸产生失稳扩展，表现出材料的半脆性性质。材料 C 弹性变形功较小， 塑性变形功增加， 裂纹产生后发生缓慢地扩展， 直至断裂也不存在失稳， 充分显示出材料具有很好的韧性性质。 图 3 冲击功相等韧脆性不同的三种材料 裂纹扩展功和裂纹形成功的比值大小反映了材料的韧脆程度， 当比值大于 1 时， 扩展功 大于形成功，为韧性断裂，当比值小于 1 时，裂纹扩展消耗的能量变小，倾向于脆性断裂， 并且比值越小脆性越大1。由此可见，用分解冲击功的方法可把冲击功的物理意义表达得很 清楚。 2 冲击功影响因素 2.1 化学成分 材料含碳量对韧-脆转化曲线的影响如图 4 所示

6、。随着材料中含碳量的增加，冷脆转化 温度几乎呈线性地上升，且最大冲击值也急剧降低。钢的含碳量每增加 0.1，冷脆转化温 度升高约为 13.9。钢中含碳量的影响，主要归结为珠光体增加了钢的脆性。 图 4 含碳量对材料韧脆转化温度的影响 金属材料中的磷和硫均为有害元素， 磷具有强烈的固溶强化作用， 使材料的强度和硬度 增加，但塑性、韧性显著降低，这种脆化现象在低温时更严重，每增加 0.01%的磷可使脆性 转变温度上升 7。硫在固态下以 FeS 的形态在于钢中，割裂金属基体的连续性，FeS 还会 与铁形成共晶体，当钢加热至 1200进行热压力加工时，共晶体熔化使钢材在加工时沿晶 界碎裂，钢材在受到冲

7、击时极易断裂。 钢中增加锰的含量，锰与硫形成高熔点的 MnS，可避免热脆性。锰可以降低奥氏体向 铁素体转变的温度，从而使晶粒细化。 2.2 非金属夹杂 非金属夹杂对冲击功的影响机理为： 夹杂物以连续的网络状或以串联状存在， 破坏了母 体金属的连续性， 降低了金属的塑性和强度， 使金属在锻、 轧或其他加工过程中易形成裂纹。 金属中的夹杂物可以看作为金属内部的锐角，会产生应力集中，耐冲击能力差，在外力作用 下，易发生断裂。 2.3 金相组织 金属材料通过热处理可使金相组织均匀化，晶料细化，使材料的塑性、韧性得到改善， 一般来说，正火比退火好，淬火、回火又比正火好。为了得到金相组织对冲击功的影响，对

8、 同一种材料采取了 2 种热处理工艺， 冲击功与金相组织的关系如表 2 所示。 1#试样采用调质 （油淬+回火）工艺，金相组织为回火索氏体，低温冲击功可达 100J 左右；2#试样采用正火 工艺， 显微组织检测发现其边缘为回火索氏体+铁素体， 中心为回火索氏体+铁素体+索氏体， 低温冲击功仅为 10J 左右。两种试样的金相组织照片如图 5 和图 6 所示，由于 2#试样金相 组织中的大量条状及块状铁素体，造成组织不均匀，导致性能不均匀；大量的铁素体还将导 致局部硬度低，降低钢的综合力学性能，最终导致冲击功值降低。 表 2 冲击功与金相组织的关系 试样 编号 热处理 工艺 金相 组织 冲击功/J

9、 0 -30 1 调质 回火索氏体 103 96 2 正火 回火索氏体+铁 素体+索氏体 10 8 图 5 1#试样金相组织（放大 500 倍） 图 6 2#试样金相组织（放大 500 倍） 正火处理一般采用空冷，文献3 分析了 Q345E 厚钢板低温冲击功不合格的原因是钢板 终轧温度过高，且轧后采用空冷，致使钢板带状组织严重，晶粒尺寸较大，通过降低精轧温 度轧制后采用层状水冷等措施， 减少带状组织， 细化晶料， 从而大幅改善钢板低温冲击韧性。 2.4 晶粒度 晶粒细化可以大大降低脆性转变温度，随着晶粒度级别的提高，冲击功就越高。这是由 于晶粒越细，晶料越多，晶界就越多，裂纹扩展的阻力就越大，

10、冲击功就越高。理论与实验 均得出冷脆转化温度与晶粒大小有定量关系，如图 7 所示。上节所述的 1#试样，晶粒度为 8.0 级，低温冲击功可达到 100J 左右；2#试样，晶粒度为 7.0 级，低温冲击功仅为 10J 左右。 图 7 冷脆转化温度和晶料尺寸关系 3 冲击功的应用 3.1 目前现状 GB/T 3077-1999（合金结构钢）规定了各种材料的冲击功最小值（U 型缺口） 。GB/T 1591-2008（低合金结构钢）规定了不同质量等级不同温度下的冲击功最小值（V 型缺口） ， 比如规定 Q345B 在 20、Q345E 在-40的冲击功均不低于 27J。2010 年颁布的 GB/T 3

11、098.1-2010（紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱）相比 2000 年的标准修订了冲击功指标 和冲击试验方法，-20冲击功 KV2最小值要求为 27J，但同时指出“KV 数值尚在研究中”。 由于冲击功数值本身缺乏明确的物理意义，用来评定材料的韧脆指性，存在一些不足。已有 部分国家在标准中不再使用冲击功这一指标。 但由于这种试验方法简单易行， 冲击试验成功 应用于材料的多方面检测。 3.2 控制冶金质量 由于冲击功对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、 内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使冲击功值明显降低。长期以来冲击试验用来检 定钢材质量和判断冶金、加工和热

12、处理工艺的质量，以此来控制和稳定产品质量。 3.3 测定韧脆转变温度 由于冲击功对温度十分敏感，通常从低温到高温进行冲击系列试验，测定金属材料韧 脆转变温度。为防止金属构件的冷脆、蓝脆及重结晶脆性，估算构件容许工作温度，提供一 种经验性判据，按照冷脆转化温度的高低来选择材料。例如，有两种材料 A 和 B，不同温 度下的冲击功如图 8 所示，在室温以上 A 的冲击韧性高于 B，但当温度降低时，A 的冲击 韧性就急剧下降了，如按冷脆转化温度来选择材料时应选材料 B。 图 8 按韧脆转变温度进行选材 3.4 冲击功的选取 金属材料在实际使用过程中， 很少有仅经过一次或几次冲击就断裂的机件， 即便是通

13、常 认为承受剧烈冲击载荷的机件， 大多数是承受小能量的多次冲击才断裂。 该种破坏具有典型 的疲劳断口，属于疲劳断裂，即为冲击疲劳。 冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性的综合性能，具有以下特点：冲击能量高时，材 料的冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的冲击疲劳抗力主要取决于强度， 不能仅根据工件承受冲击就要求高的冲击吸收功。 由此可见， 要根据不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 高强度钢和超高强度钢 的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力有较大影响。因其强度高、冲击韧度低，适当提高韧度对 提高冲击疲劳抗力的影响较突出。 中、 低强度钢的塑性和冲击韧度对冲击疲劳抗力的影响较 小。因其冲击

14、韧度已经比较高，增加冲击功值对提高冲击疲劳抗力已影响较不大，而且会增 加不必要的经济成本。 4 结论 材料的冲击功数值虽没有明确的物理意义，但仍是金属材料力学性能重要的参考指标， 冲击功可广泛应用于材料选材、 产品设计和质量检验中， 本文分析了冲击功的物理意义和影 响冲击功的因素， 指出了冲击功在工程实际中的几项应用， 并就冲击功指标的选取提出了建 议，结论如下： （1）应严格控制材料冶金质量，降低磷、硫等有害元素的含量，还可通过添加合金元 素提高金属材料冲击值。 （2）应严格控制和改进热处理工艺，减少带状组织，细化晶粒，提高金属材料的冲击 值。 （3）冲击功可用来检定材料的冶金质量和测定材料韧脆转变温度。 （4）应根据不同的冲击能量选取不同的强度与塑性配合，不能简单地以冲击值高低作 为选材的依据。